FR3065064A1 - DEVICE AND METHOD FOR COOLING A CRYOGENIC FLUID FLOW - Google Patents
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Abstract
Dispositif de refroidissement d'un flux de fluide cryogénique comprenant un cryorefroidisseur (2) comportant une tête froide (3) munie d'une surface (4) d'échange, en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse (5) de matériau conducteur thermique, la masse (5) de matériau conducteur étant en échange thermique avec le flux de fluide à refroidir, le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprenant une conduite (6) d'amenée d'un flux de fluide et une conduite (7) de récupération du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse (5) de matériau conducteur et en ce que la masse (5) de matériau conducteur est logée dans un carter (12) étanche comprenant une entrée de fluide reliée à la conduite (6) d'amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite (7) de récupération, la masse (5) de matériau conducteur étant constituée de tronçons (15) adjacents formant des ailettes qui s'étendent chacun de la surface (4) d'échange de la tête froide (3) entre une première extrémité supérieure adjacente à la surface (4) d'échange de la tête froide (3) et une seconde extrémité inférieure opposéeApparatus for cooling a cryogenic fluid flow comprising a cryoreocooler (2) comprising a cold head (3) provided with an exchange surface (4), in heat exchange with a heat exchanger comprising a mass (5) of thermal conductive material, the mass (5) of conductive material being in heat exchange with the flow of fluid to be cooled, the cryogenic fluid circuit to be cooled comprising a pipe (6) for supplying a flow of fluid and a pipe ( 7) for recovering the heat exchanged fluid flow with the mass (5) of conductive material and in that the mass (5) of conductive material is housed in a sealed casing (12) comprising a fluid inlet connected to the pipe (6) supply and a fluid outlet connected to the pipe (7) for recovery, the mass (5) of conductive material consisting of adjacent sections (15) forming fins which each extend from the surface (4). ) of exchanged e of the cold head (3) between a first upper end adjacent to the exchange surface (4) of the cold head (3) and an opposite second lower end
Description
Titulaire(s) : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE Société anonyme.Holder (s): AIR LIQUIDE, ANONYMOUS COMPANY FOR THE STUDY AND EXPLOITATION OF GEORGES CLAUDE PROCESSES Société anonyme.
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Mandataire(s) : L'AIR LIQUIDE.Agent (s): AIR LIQUIDE.
DISPOSITIF ET PROCEDE DE REFROIDISSEMENT D'UN FLUX DE FLUIDE CRYOGENIQUE.DEVICE AND METHOD FOR COOLING A FLOW OF CRYOGENIC FLUID.
FR 3 065 064 - A1 (57)FR 3 065 064 - A1 (57)
Dispositif de refroidissement d'un flux de fluide cryogénique comprenant un cryorefroidisseur (2) comportant une tête froide (3) munie d'une surface (4) d'échange, en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse (5) de matériau conducteur thermique, la masse (5) de matériau conducteur étant en échange thermique avec le flux de fluide à refroidir, le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprenant une conduite (6) d'amenée d'un flux de fluide et une conduite (7) de récupération du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse (5) de matériau conducteur et en ce que la masse (5) de matériau conducteur est logée dans un carter (12) étanche comprenant une entrée de fluide reliée à la conduite (6) d'amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite (7) de récupération, la masse (5) de matériau conducteur étant constituée de tronçons (15) adjacents formant des ailettes qui s'étendent chacun de la surface (4) d'échange de la tête froide (3) entre une première extrémité supérieure adjacente à la surface (4) d'échange de la tête froide (3) et une seconde extrémité inférieure opposéeDevice for cooling a flow of cryogenic fluid comprising a cryocooler (2) comprising a cold head (3) provided with an exchange surface (4), in heat exchange with a heat exchanger comprising a mass (5) of thermal conductive material, the mass (5) of conductive material being in heat exchange with the flow of fluid to be cooled, the cryogenic fluid circuit to be cooled comprising a line (6) for supplying a flow of fluid and a line ( 7) for recovering the flow of fluid having thermally exchanged with the mass (5) of conductive material and in that the mass (5) of conductive material is housed in a sealed casing (12) comprising a fluid inlet connected to the pipe (6) supply and a fluid outlet connected to the recovery pipe (7), the mass (5) of conductive material consisting of adjacent sections (15) forming fins which each extend from the surface (4 ) exchange e of the cold head (3) between a first upper end adjacent to the surface (4) for exchanging the cold head (3) and a second opposite lower end
L’invention concerne un dispositif de refroidissement d’un fluide cryogénique.The invention relates to a device for cooling a cryogenic fluid.
L’invention concerne en particulier un dispositif d’échange thermique (monophasique ou multiphasique) avec une source froide du type ayant une surface plane.The invention relates in particular to a heat exchange device (monophasic or multiphasic) with a cold source of the type having a planar surface.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement d’un flux de fluide cryogénique, notamment pour la condensation d’un gaz au sein d’un mélange de gaz, le dispositif comprenant un cryo-refroidisseur comportant une tête froide munie d’une surface d’échange, la surface d’échange de la tête froide étant en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse de matériau conducteur thermique, la masse de matériau conducteur étant en échange thermique avec le flux de fluide cryogénique à refroidir.The invention relates more particularly to a device for cooling a flow of cryogenic fluid, in particular for the condensation of a gas within a mixture of gases, the device comprising a cryo-cooler comprising a cold head provided with a exchange surface, the exchange surface of the cold head being in heat exchange with a heat exchanger comprising a mass of thermal conductive material, the mass of conductive material being in heat exchange with the flow of cryogenic fluid to be cooled.
L’invention concerne en particulier un dispositif de refroidissement d’un fluide cryogénique composé d’un mélange gazeux ou pour partie liquide.The invention relates in particular to a device for cooling a cryogenic fluid composed of a gaseous or partly liquid mixture.
En particulier, l’invention peut concerner avantageusement la condensation de néon au sein d’un flux de mélange d’hélium et de néon dans lequel le mélange est amené à proximité du point triple du Néon (24,5 K).In particular, the invention may advantageously relate to the condensation of neon in a flow of a mixture of helium and neon in which the mixture is brought close to the triple point of the Neon (24.5 K).
Cette invention peut être appliquée à tout type de mélange pour lequel on souhaite refroidir, voire condenser, un ou plusieurs constituants, par échange thermique avec une surface froide plane. Cette invention présente une surface d’échange développée élevée dans un encombrement restreint.This invention can be applied to any type of mixture for which it is desired to cool, or even condense, one or more constituents, by heat exchange with a flat cold surface. This invention has a large developed exchange surface in a small footprint.
Les solutions connues de dispositifs de refroidissement pour réaliser une telle condensation, bien que satisfaisantes, sont soit coûteuses/complexes soit ont une efficacité insuffisante.The known solutions of cooling devices for producing such condensation, although satisfactory, are either expensive / complex or have insufficient efficiency.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend une conduite d’amenée d’un flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse de matériau conducteur et une conduite de récupération du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse de matériau conducteur et en ce que la masse de matériau conducteur est logée dans un carter étanche comprenant une entrée de fluide reliée à la conduite d’amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite de récupération, la masse de matériau conducteur étant constituée de tronçons adjacents formant des ailettes qui s’étendent chacun de la surface d’échange de la tête froide entre une première extrémité supérieure adjacente à la surface d’échange de la tête froide et une seconde extrémité inférieure opposée.To this end, the device according to the invention, furthermore in accordance with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the cryogenic fluid circuit to be cooled comprises a supply line of a fluid flow intended to thermally exchange with the mass of conductive material and a pipe for recovering the flow of fluid having thermally exchanged with the mass of conductive material and in that the mass of conductive material is housed in a sealed casing comprising an inlet for fluid connected to the supply line and a fluid outlet connected to the recovery line, the mass of conductive material consisting of adjacent sections forming fins which each extend from the exchange surface of the cold head between a first upper end adjacent to the exchange surface of the cold head and a second lower end o posed.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics:
- les tronçons adjacents formant des ailettes s’étendent chacun selon une direction perpendiculaire à la surface d’échange de la tête froide,- the adjacent sections forming fins each extend in a direction perpendicular to the exchange surface of the cold head,
- les tronçons adjacents sont séparés par des interstices respectifs qui s’étendent selon la direction perpendiculaire à la surface d’échange de la tête froide,- the adjacent sections are separated by respective interstices which extend in the direction perpendicular to the exchange surface of the cold head,
- les interstices successifs sont reliés consécutivement les uns aux autres par des passages de fluide situés alternativement à proximité de la première extrémité supérieure de la masse puis à proximité de la seconde extrémité inférieure, de sorte que le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d’amenée doit circuler séquentiellement dans un interstice dans un sens puis dans l’interstice suivant en changeant de sens, c’est-à-dire que, dans un premier interstice le flux de fluide circule selon une direction perpendiculaire à la surface d’échange et de la seconde extrémité inférieure vers la première extrémité supérieure, puis pénètre dans un second interstice au niveau de la première extrémité supérieure et circule dans ce second interstice de la première extrémité supérieure vers la seconde extrémité inférieure et ainsi de suite jusqu’à la conduite de récupération,- the successive interstices are connected consecutively to each other by fluid passages located alternately near the first upper end of the mass and then near the second lower end, so that the flow of fluid which enters the casing via the supply line must flow sequentially in a gap in one direction and then in the next gap by changing direction, that is to say that, in a first gap the fluid flow circulates in a direction perpendicular to the surface interchange and from the second lower end to the first upper end, then enters a second gap at the first upper end and flows through this second gap from the first upper end to the second lower end and so on until to the recovery line,
- le circuit de fluide à l’intérieur du carter reliant l’entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant deux branches distinctes reliant l’entrée à la sortie, le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d’amenée circulant en direction de l’orifice de sortie en se subdivisant en deux portions circulant respectivement dans les deux branches, c’est-à-dire qu’une première portion du fluide circule dans une première branche en transitant dans un premier ensemble d’interstices correspondants tandis que la seconde portion du fluide circule dans la seconde branche en transitant dans l’autre ensemble d’interstices correspondants,- the fluid circuit inside the casing connecting the fluid inlet to the fluid outlet forms a closed loop comprising two separate branches connecting the inlet to the outlet, the flow of fluid which enters the casing via the pipe supply flowing in the direction of the outlet orifice, subdividing into two portions circulating respectively in the two branches, that is to say that a first portion of the fluid circulates in a first branch by passing through a first assembly of corresponding interstices while the second portion of the fluid circulates in the second branch while passing through the other set of corresponding interstices,
- le circuit de fluide à l’intérieur du carter reliant l’entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant un seul trajet et en ce que le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d’amenée circule en direction de l’orifice de sortie forme un seul flux circulant dans un sens prédéterminé dans la boucle, c’est-à-dire que le flux transite séquentiellement dans tous les interstices avant de rejoindre la conduite de sortie,- the fluid circuit inside the casing connecting the fluid inlet to the fluid outlet forms a closed loop comprising a single path and in that the flow of fluid which enters the casing via the supply line circulates in the direction of the outlet orifice forms a single flow circulating in a predetermined direction in the loop, that is to say that the flow passes sequentially through all the interstices before joining the outlet pipe,
- la masse de matériau conducteur a une forme générale d’un cylindre dont l’axe longitudinal central et les génératrices sont perpendiculaires à la surface d’échange de la tête froide, les interstices étant formés radialement entre l’axe longitudinal central du cylindre et sa périphérie,the mass of conductive material has the general shape of a cylinder whose central longitudinal axis and the generatrices are perpendicular to the exchange surface of the cold head, the interstices being formed radially between the central longitudinal axis of the cylinder and its periphery,
- les tronçons adjacents sont disposés de façon régulièrement réparties autour et d’un axe longitudinal central perpendiculaire à la surface d’échange,- the adjacent sections are regularly distributed around and a central longitudinal axis perpendicular to the exchange surface,
- la conduite d’amenée débouche dans le carter de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse de matériau conducteur,- the supply line opens into the casing adjacent to the second lower end of the mass of conductive material,
- la conduite de récupération débouche dans le carter de façon adjacente à la première extrémité supérieure ou de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse de matériau conducteur,the recovery pipe opens into the casing adjacent to the first upper end or adjacent to the second lower end of the mass of conductive material,
- la masse de matériau conducteur est constituée au moins en partie d’un matériau métallique, notamment du cuivre, d’un alliage de cuivre, d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium,the mass of conductive material consists at least in part of a metallic material, in particular copper, a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy,
- la masse de matériau conducteur est mise au contact de la surface d’échange de la tête froide, une couche de dorure et/ou de graisse thermique et/ou d’un remplisseur en matériau conducteur thermique, étant interposée entre la masse de matériau conducteur et la surface d’échange de la tête froide,the mass of conductive material is brought into contact with the exchange surface of the cold head, a layer of gilding and / or thermal grease and / or of a filler of thermal conductive material, being interposed between the mass of material conductor and the exchange surface of the cold head,
- les surfaces en contact de la masse de matériau conducteur et de la surface d’échange de la tête froide comportent chacune une dorure ayant une épaisseur comprise entre 0.1 pm et 100 pm,- the surfaces in contact with the mass of conductive material and the exchange surface of the cold head each include a gilding having a thickness of between 0.1 μm and 100 μm,
- les entrée et sortie de fluide reliées respectivement avec les conduite d’amenée et de récupération sont disposés de façon diamétralement opposée de part et d’autre de l’axe longitudinal central du cylindre,- the fluid inlet and outlet connected respectively with the supply and recovery pipes are arranged diametrically opposite on either side of the central longitudinal axis of the cylinder,
L’invention concerne également un procédé de condensation de néon au sein d’un flux de mélange gazeux contenant du néon et de l’hélium sous forme gazeuse dans lequel le flux de gaz est refroidi dans un dispositif selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous à une température inférieure ou égale à la température de condensation du néon.The invention also relates to a method of condensing neon in a gas mixture flow containing neon and helium in gaseous form in which the gas flow is cooled in a device according to any one of the characteristics below. -above or below at a temperature less than or equal to the condensation temperature of the neon.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.The invention may also relate to any alternative device or process comprising any combination of the above or below characteristics.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other particularities and advantages will appear on reading the description below, made with reference to the figures in which:
- la figure 1 représente une vue de côté, schématique et partielle d’une coupe verticale d’un exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif de refroidissement selon l’invention,FIG. 1 represents a schematic and partial side view of a vertical section of an example of the structure and operation of a cooling device according to the invention,
- les figures 2 et 3 représentent des vues en coupes transversales, schématiques et partielles, selon respectivement les lignes AA et BB de la figure 1,FIGS. 2 and 3 represent views in transverse, schematic and partial sections, along lines AA and BB respectively of FIG. 1,
- la figure 4 représente une vue en perspective, schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif de la figure 1.- Figure 4 shows a perspective view, schematic and partial illustrating a detail of the structure and operation of the device of Figure 1.
Le dispositif 1 de refroidissement illustré aux figures comprend un cryorefroidisseur 2 comportant une tête froide 3 munie d’une surface 4 d’échange terminale.The cooling device 1 illustrated in the figures comprises a cryocooler 2 comprising a cold head 3 provided with a terminal exchange surface 4.
La surface 4 d’échange de la tête froide 3, par exemple forme un disque en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse 5 de matériau conducteur thermique.The exchange surface 4 of the cold head 3, for example forms a disc in heat exchange with a heat exchanger comprising a mass 5 of thermal conductive material.
La masse 5 de matériau conducteur a par exemple une forme générale cylindrique dont l’extrémité (face supérieure) est en contact avec l’extrémité 4 terminale de la tête 3 froide.The mass 5 of conductive material has for example a generally cylindrical shape whose end (upper face) is in contact with the terminal end 4 of the cold head 3.
Par exemple, la masse 5 de matériau conducteur est constituée au moins en partie d’un matériau métallique, par exemple du cuivre ou de l’aluminium ou d’un alliage de cuivre ou d’aluminium.For example, the mass 5 of conductive material consists at least in part of a metallic material, for example copper or aluminum or a copper or aluminum alloy.
Le contact entre la tête 4 froide et la masse 5 peut être réalisé par serrage mécanique, par exemple par brasage (alliage d’apport à base d’étain ou d’argent par exemple) ou par soudage. Par exemple, comme illustré aux figures 2 et 3, la masse 5 de matériau conducteur peut comprendre une pluralité d’alésages 111 disposés autour du centre de la masse et prévus pour des vis de fixation sur la tête 3 froide.Contact between the cold head 4 and the mass 5 can be achieved by mechanical tightening, for example by brazing (filler alloy based on tin or silver for example) or by welding. For example, as illustrated in FIGS. 2 and 3, the mass 5 of conductive material may include a plurality of bores 111 arranged around the center of the mass and provided for fixing screws on the cold head 3.
Au moins une partie du reste du corps de la masse 5 de matériau conducteur est en échange thermique (de préférence par contact direct) avec le flux de fluide cryogénique à refroidir.At least part of the rest of the body of the mass 5 of conductive material is in heat exchange (preferably by direct contact) with the flow of cryogenic fluid to be cooled.
Le dispositif 1 comprend un circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend une conduite 6 d’amenée d’un flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse 5 de matériau conducteur et une conduite 7 de récupération qui collecte du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse 5 de matériau conducteur.The device 1 comprises a cryogenic fluid circuit to be cooled comprises a line 6 for supplying a flow of fluid intended to thermally exchange with the mass 5 of conductive material and a line 7 for recovery which collects the flow of fluid having thermally exchanged with the mass 5 of conductive material.
La masse 5 de matériau conducteur est logée dans un carter 12 étanche. C’est-à-dire que le carter 12 délimite un volume dans lequel intervient l’échange (contact) entre le flux de fluide à refroidir et la masse 5 de matériau refroidie par la tête 4 froide.The mass 5 of conductive material is housed in a sealed casing 12. That is to say that the casing 12 delimits a volume in which the exchange (contact) takes place between the flow of fluid to be cooled and the mass 5 of material cooled by the cold head 4.
Le carter 12 comprend une entrée de fluide reliée à la conduite 6 d’amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite 7 de récupération.The casing 12 includes a fluid inlet connected to the supply line 6 and a fluid outlet connected to the recovery line 7.
Le carter 12 peut être fermé hermétiquement autour de la masse 5 de matériau conducteur par brasage, soudage ou serrage mécanique par exemple. Le matériau constituant le carter 12 n’est pas nécessairement le même que celui constituant la masse 5.The casing 12 can be hermetically closed around the mass 5 of conductive material by soldering, welding or mechanical tightening for example. The material constituting the casing 12 is not necessarily the same as that constituting the mass 5.
Une pièce 18 centrale peut être disposée dans un alésage 10 central de la masse 5. Cette pièce 18 peut être un bloc de matière (une résistance électrique par exemple) monté serrée dans l’alésage 10, et dont la fonction peut être d’annuler tout passage ou bypass pour le fluide entre les tronçons d’ailettes adjacents. Le montage de cette pièce 18 peut être réalisé par frettage, par immersion cryogénique de la pièce 18 centrale puis insertion dans l’alésage 10 de la masse 5 support maintenue à température ambiante par exemple lors du montage.A central part 18 can be placed in a central bore 10 of the mass 5. This part 18 can be a block of material (an electrical resistance for example) mounted tightly in the bore 10, and whose function can be to cancel any passage or bypass for the fluid between the adjacent fin sections. The mounting of this part 18 can be carried out by shrinking, by cryogenic immersion of the central part 18 then insertion into the bore 10 of the support mass 5 maintained at room temperature for example during assembly.
La masse 5 de matériau conducteur est constituée de tronçons 15 adjacents formant des ailettes qui s’étendent chacun selon une direction perpendiculaire à la surface 4 d’échange de la tête froide 3 entre une première extrémité supérieure adjacente à la surface 4 d’échange de la tête froide 3 (en haut sur la figure 1) et une seconde extrémité inférieure opposée (en bas sur la figure 1).The mass 5 of conductive material consists of adjacent sections 15 forming fins which each extend in a direction perpendicular to the exchange surface 4 of the cold head 3 between a first upper end adjacent to the exchange surface 4 the cold head 3 (above in FIG. 1) and a second opposite lower end (below in FIG. 1).
En variante possible (non représenté aux figures), les tronçons 15 adjacents formant des ailettes s’étendent chacun selon une direction parallèle à la surface 4 d’échange de la tête froide 3.As a possible variant (not shown in the figures), the adjacent sections 15 forming fins each extend in a direction parallel to the exchange surface 4 of the cold head 3.
Les tronçons 15 adjacents sont séparés par des interstices 11 respectifs qui s’étendent selon la direction perpendiculaire à la surface 4 d’échange de la tête froide 3. Ces interstices 11 forment des passages pour le flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse 5.The adjacent sections 15 are separated by respective interstices 11 which extend in the direction perpendicular to the exchange surface 4 of the cold head 3. These interstices 11 form passages for the flow of fluid intended to thermally exchange with the mass 5.
Comme illustré, les interstices 11 peuvent être agencés radialement autour d’un axe longitudinal central perpendiculaire à la surface d’extrémité de la tête 4 froide. Ces interstices 11 peuvent être créés par procédé industriel de découpe au fil ou laser par exemple.As illustrated, the interstices 11 can be arranged radially around a central longitudinal axis perpendicular to the end surface of the cold head 4. These interstices 11 can be created by an industrial wire or laser cutting process for example.
Ces interstices 11 successifs sont reliées consécutivement les uns aux autres par des passages 13 et 14 de fluide situés alternativement à proximité de la première extrémité supérieure de la masse 5 puis à proximité de la seconde extrémité inférieure. Ainsi, le flux de fluide qui entre dans le carter 12 via la conduite 6 d’amenée doit circuler séquentiellement dans un interstice 11 dans un sens (par exemple du bas vers le haut à la figure 1) puis dans l’interstice 11 suivant en changeant de sens (du haut vers le bas à la figure 1 ).These successive interstices 11 are connected consecutively to each other by passages 13 and 14 of fluid located alternately near the first upper end of the mass 5 and then near the second lower end. Thus, the flow of fluid which enters the casing 12 via the supply line 6 must flow sequentially in a gap 11 in one direction (for example from bottom to top in FIG. 1) then in the next gap 11 by changing direction (from top to bottom in Figure 1).
C’est-à-dire que, dans un premier interstice 11 le flux de fluide circule selon une direction perpendiculaire à la surface 4 d’échange et de la seconde extrémité inférieure vers la première extrémité supérieure. Ensuite, le flux pénètre via le passage ou canal 14 dans un second interstice 11 au niveau de la première extrémité supérieure et circule dans ce second interstice 11 de la première extrémité supérieure vers la seconde extrémité inférieure et ainsi de suite jusqu’à la conduite 7 de récupération.In other words, in a first gap 11, the flow of fluid circulates in a direction perpendicular to the exchange surface 4 and from the second lower end to the first upper end. Then, the flow enters via the passage or channel 14 into a second interstice 11 at the first upper end and flows in this second interstice 11 from the first upper end to the second lower end and so on to the pipe 7 recovery.
Les figures 2 et 3 illustrent un exemple de réalisation : les interstices 11 (disposés radialement autour d’un axe longitudinal central de la masse 5) sont reliés séquentiellement les uns aux autre par des passages situés alternativement en haut (cf. référence 14) puis en bas (cf. référence 13) de la masse.Figures 2 and 3 illustrate an exemplary embodiment: the interstices 11 (arranged radially around a central longitudinal axis of the mass 5) are connected sequentially to each other by passages located alternately at the top (cf. reference 14) then at the bottom (see reference 13) of the mass.
Ceci est illustré également schématiquement à la figure 4 où le flux 17 venant de la gauche remonte un interstice 11 puis rejoint l’interstice adjacent vers la droite via un passage 14 supérieur puis redescend dans ce second interstice puis remonte dans le suivant et...Ainsi les passages 14, 13 contraignent le flux à passer d’un interstice 11 à l’autre (dans le plan perpendiculaire aux interstices) en changeant de sens (de haut en bas ou de bas en haut) de circulation à chaque changement d’interstice 11.This is also illustrated schematically in Figure 4 where the flow 17 from the left goes up an interstice 11 then joins the adjacent interstice to the right via an upper passage 14 then descends into this second interstice then goes up into the next and ... Thus the passages 14, 13 constrain the flow to pass from one interstice 11 to another (in the plane perpendicular to the interstices) by changing direction (from top to bottom or from bottom to top) of circulation with each change of gap 11.
Cette structure crée des méandres dans les deux directions (verticale et transversale) qui augmentent l’échange thermique du flux avec les ailettes de la masse 5 de matériau.This structure creates meanders in both directions (vertical and transverse) which increase the heat exchange of the flux with the fins of the mass 5 of material.
Comme schématisé à la figure 5, selon un plan parallèle aux plans de coupe des figures 3 et 4, le circuit 17 de fluide à l’intérieur du carter 12 reliant l’entrée de fluide (symbolisée par la référence 6) à la sortie de fluide (symbolisée par la référence 7) forme une boucle close comprenant deux branches 16, 26 distinctes reliant l’entrée 6 à la sortie 7. Le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite 6 d’amenée circule en direction de l’orifice 7 de sortie en se subdivisant en deux portions circulant respectivement dans les deux branches 16, 26. C’est-à-dire qu’une première portion du fluide circule une première branche 16 transite dans un premier ensemble d’interstices 15 correspondants tandis que la seconde portion du fluide circule dans la seconde branche 26 en transitant dans l’autre ensemble d’interstices 15 correspondants.As shown diagrammatically in FIG. 5, along a plane parallel to the cutting planes of FIGS. 3 and 4, the fluid circuit 17 inside the casing 12 connecting the fluid inlet (symbolized by the reference 6) to the outlet of fluid (symbolized by the reference 7) forms a closed loop comprising two distinct branches 16, 26 connecting the inlet 6 to the outlet 7. The flow of fluid which enters the casing via the supply line 6 flows in the direction of the outlet 7 by subdividing into two portions circulating respectively in the two branches 16, 26. That is to say that a first portion of the fluid circulates a first branch 16 passes through a first set of corresponding interstices 15 while the second portion of the fluid circulates in the second branch 26 while passing through the other set of corresponding interstices 15.
Dans la variante de la figure 6 le circuit 17 de fluide à l’intérieur du carter 12 reliant l’entrée 6 de fluide à la sortie 7 de fluide forme une boucle close comprenant un seul trajet. Ainsi, tout le flux de fluide qui entre dans le carter 12 via la conduite 6 d’amenée circule en direction de l’orifice 7 de sortie dans un sens prédéterminé dans la boucle. C’est-à-dire que le flux transite séquentiellement dans tous les interstices 15 avant de rejoindre la conduite 7 de sortie.In the variant of FIG. 6, the fluid circuit 17 inside the casing 12 connecting the fluid inlet 6 to the fluid outlet 7 forms a closed loop comprising a single path. Thus, all the flow of fluid which enters the casing 12 via the supply line 6 flows in the direction of the outlet orifice 7 in a predetermined direction in the loop. That is to say that the flow passes sequentially through all the interstices 15 before joining the outlet pipe 7.
Ces agencements permettent de diffuser un écoulement (notamment diphasique) de façon homogène dans chaque canal/interstice 11.These arrangements make it possible to diffuse a flow (in particular two-phase) in a homogeneous manner in each channel / interstice 11.
Selon une particularité avantageuse, la masse 5 de matériau conducteur peut être mise au contact de la surface 4 d’échange de la tête froide 3 en interposant une couche 8, 9 d’un matériau améliorant significativement la résistance de contact entre 4 et 5 (dorure par dépôt électrochimique ou remplisseurs « fillers » d’alliages d’or ou d’indium par exemple et/ou de graisse thermique) entre la masse 5 de matériau conducteur et la surface 4 d’échange de la tête froide 3.According to an advantageous feature, the mass 5 of conductive material can be brought into contact with the exchange surface 4 of the cold head 3 by interposing a layer 8, 9 of a material significantly improving the contact resistance between 4 and 5 ( gilding by electrochemical deposition or fillers "fillers" of alloys of gold or indium for example and / or thermal grease) between the mass 5 of conductive material and the surface 4 of exchange of the cold head 3.
Par exemple, les deux surfaces en contact de la masse 5 de matériau conducteur et de la surface 4 d’échange de la tête froide 3 peuvent comporter chacune une dorure ayant une épaisseur comprise entre 0.1 pm et 100 pm. Bien entendu, en variante une seule couche de dorure peut également être prévue sur l’une des deux faces.For example, the two surfaces in contact with the mass 5 of conductive material and the exchange surface 4 of the cold head 3 may each have a gilding having a thickness of between 0.1 μm and 100 μm. Of course, as a variant, a single layer of gilding can also be provided on one of the two faces.
Ceci permet de diminuer la résistance de contact avec la surface froide. L’efficacité du dispositif 1 est améliorée. De plus, ceci limite également les risques de corrosion/d’oxydation locale à long terme.This reduces the contact resistance with the cold surface. The efficiency of device 1 is improved. In addition, this also limits the risk of local corrosion / oxidation in the long term.
Cette structure permet d’obtenir des conductivités thermiques extrêmement 10 fortes dans le cas notamment du cuivre (forte hausse de conductivité thermique pour le cuivre entre 4K et 40K) ou de l’aluminium, et ainsi de minimiser les résistances thermiques associées.This structure makes it possible to obtain extremely high thermal conductivities in the case in particular of copper (strong increase in thermal conductivity for copper between 4K and 40K) or of aluminum, and thus to minimize the associated thermal resistances.
Un alésage ou trou borgne (non représenté) peut être prévu pour loger un capteur de température.A bore or blind hole (not shown) can be provided to accommodate a temperature sensor.
Le capteur de température peut être prévu pour la régulation d’un organe de chauffage tel qu’une résistance chauffante logé dans un alésage 13 central pour réguler finement la température de la masse 5 et donc contrôler la température de refroidissement.The temperature sensor can be provided for regulating a heating member such as a heating resistor housed in a central bore 13 to finely regulate the temperature of the mass 5 and therefore control the cooling temperature.
Ainsi, tout en étant de structure simple et fiable, le dispositif présente une grande efficacité, notamment pour condenser du néon contenu dans un flux d’hélium et de néon.Thus, while being simple and reliable in structure, the device has great efficiency, in particular for condensing neon contained in a stream of helium and neon.
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