WO2002001128A1 - Dispositif de stabilisation thermique d'un objet a refroidir - Google Patents
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Definitions
- the invention finds applications in numerous fields, where it is important to cool an object of small dimensions (a few cubic centimeters) and to maintain this object at a stable temperature.
- the invention finds applications in the field of infrared detectors, the accuracy of which may depend on its temperature stability or also in the field of X-rays for keeping samples to be analyzed at low temperature by X-rays.
- the screen 14 is produced from balls, made of lead or Erbiu 3 Nickel, the diameter of which is around 200 to 500 ⁇ .
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de stabilisation thermique d'un objet (20) à refroidir à une température de l'ordre de 6 à 25 K par circulation de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte: un vase Dewar (10) pressurisé pour fournir un gaz; un échangeur coaxial (11) pour pré-refroidir le gaz; un cryostat (16) dans lequel est placé l'objet à refroidir; un siphon coaxial (13) pour transporter le gaz du vase Dewar jusqu'au cryostat, ce siphon comportant, en son sein, au moins un tamis (14) assurant le filtrage thermique du gaz; et un orifice de sortie (17) à débit variable assurant l'évacuation du gaz.
Description
DISPOSITIF DE STABILISATION THERMIQUE DUH OBJET A REFROIDIR
DESCRIPTION
Domaine de l' invention
L' invention concerne un dispositif de stabilisation thermique d'un objet à refroidir, en particulier dans une gamme de températures de 5 à 50 K, par circulation de fluide.
L' invention trouve des applications dans de nombreux domaines, où il est important de refroidir un objet de petites dimensions (quelques centimètres cubes) et de maintenir cet objet à une température stable. En particulier, l'invention trouve des applications dans le domaine des détecteurs infrarouges dont la précision peut dépendre de sa stabilité en température ou encore dans le domaine des rayonnements X pour maintenir à basse température des échantillons à analyser par rayons X.
Etat de la technique
Actuellement, pour refroidir un objet à une température de 5 à 30 K par circulation de fluide, on utilise des écoulements gazeux obtenus en prélevant du liquide dans un vase pressurisé, au moyen d'un siphon. A la sortie du siphon, le fluide obtenu est sous forme diphasique ; il est alors injecté dans une boîte à séparation de phases, afin de ne conserver que le gaz.
Sur la figure 1, on a représenté un exemple de boîte à séparation de phases, telle qu'utilisée classiquement ; celle-ci porte la référence 1. Le siphon amenant le fluide diphasique (F) dans la boîte 1, est référencé 2. Ce fluide diphasique est généralement de l'hélium : celui-ci se sépare, d'une part, en hélium liquide, contenu dans la zone Zl, et, d'autre part, en hélium gazeux, contenu dans la zone Z2 de la boîte de séparation de phases 1.
L'hélium sous forme gazeuse (G) est prélevé au-dessus du bain liquide de la zone Zl et évacué, par un orifice de sortie 3, hors de la boîte à séparation de phases. Sur la boîte à séparation de phases 1, est installé un dispositif de chauffage 4 qui assure le chauffage de la boîte 1 et, par conséquent, le maintien du niveau liquide constant. Un thermomètre 5 permet de vérifier la température du gaz en sortie 3 de la boîte 1.
De tels systèmes sont décrits, notamment dans l'article intitulé « Phase separator for liquid nitrogen supply Unes », de B. V. ELKONIN, Cryogénies 1995, vol. 35, no. 5, p. 347 - 348. Cependant, ces systèmes présentent des fluctuations de température, au niveau du gaz prélevé, qui peuvent être relativement importantes, c'est-à-dire de l'ordre de quelques centaines de milliKelvin.
Exposé de l'invention
L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients du dispositif décrit précédemment.
A cette fin, elle propose un dispositif de refroidissement par circulation de fluide permettant dr obtenir une température de 5 à 50 K avec des fluctuations stables, de l'ordre de quelques milliKevin.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de stabilisation thermique d'un objet à refroidir à une température de l'ordre de 5 à 50 K par circulation de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un vase Dewar régulé en pression pour fournir un gaz ;
- un moyen pour pré-refroidir le gaz ;
- un cryostat dans lequel est placé l'objet à refroidir ;
- un siphon coaxial pour transporter le gaz du vase Dewar jusqu'au cryostat, ce siphon comportant, en son sein, au moins un tamis assurant un filtrage thermique du gaz ; et - un orifice de sortie à débit variable assurant l'évacuation du gaz.
Avantageusement, le tamis est constitué de billes en plomb ou en terres rares. Les billes ont, de préférence, un diamètre de l'ordre de 200 à 500 μ . Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte deux tamis situés
dans le siphon : l'un est à la sortie de l' échangeur, et l'autre est en amont de l'objet à refroidir.
Le siphon du dispositif de l'invention comporte, avantageusement, une paroi mince en acier inoxydable.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le gaz est de l'hélium.
Brève description des figures
- La figure 1, déjà décrite, représente un dispositif de refroidissement par circulation de fluide, classique ;
- la figure 2 représente schématiquement le dispositif de l'invention ;
- les figure 3A et 3B représentent deux courbes d'évolution de la température d'un objet, lorsque le dispositif de l'invention comporte, respectivement, aucun tamis ou un tamis en sortie du siphon ;
- et les figures 4 et 5 illustrent deux perfectionnements qu'on peut adapter séparément ou ensemble .
Description détaillée des modes de réalisation de l'invention
L'invention concerne un dispositif de stabilisation thermique d'un objet refroidi à une température de l'ordre de 5 à 30 Kelvin.
Ce dispositif, de type à circulation de fluide, permet de refroidir un objet de petite dimension à une température de l'ordre de 5 à
30 Kelvin, avec une fluctuation de la température très faible.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte un vase Dewar 10, pressurisé au moyen d'un dispositif de pressurisation 12. Ce vase Dewar contient, dans une zone Zl, un fluide sous forme liquide. Le fluide utilisé dépend de la température à laquelle on veut refroidir l'objet. Pour une très basse température, c'est-à-dire entre 5 et 30 K, le fluide peut être de l'hélium. Sous l'effet de la pressurisation du vase
Dewar, l'hélium liquide se transforme, au moins en partie, en un gaz contenu dans la zone Zg du vase 10.
Le gaz ainsi obtenu est pré-refroidi au moyen d'un échangeur coaxial 11 plongé dans le bain d'hélium liquide.
Sur cette figure 2, on a représenté, par des flèches, le trajet suivi par le gaz, dans le vase Dewar 10, depuis la zone Zg jusqu'à la sortie 10' du vase Dewar. A cette sortie 10', un siphon 13 assure le prélèvement du gaz, dans le ciel du vase Dewar.
Selon l'invention, le siphon 13 est de type coaxial, ce qui assure la collecte du gaz dans le dewar. Il comporte une paroi mince en acier inoxydable permettant de favoriser les échanges thermiques. Au niveau de la sortie 10' du vase Dewar, le siphon 13 comporte, en son sein, un tamis 14
assurant une première stabilisation de la température du gaz. Ce tamis 14 constitue un échangeur qui permet de filtrer thermiquement le gaz.
Le tamis 14 peut être réalisé à partir de grilles ou de billes en plomb ou en terres rares, comme le Er3Ni, ErNi, GdRh, HoCu2, etc, ou dans tout autre matériau possédant une très grande chaleur spécifique à la température du gaz. La chaleur spécifique de ces terres rares est publiée dans l'article intitulé « A two-stage puise tube cooler operating below 4 K », de C. WANG et al., Cryogénies 1997, vol. 37, no. 3, p. 159-164. Aussi, pour un gaz dont la température est située entre 5 K et 50 K, les matériaux employés sont avantageusement le plomb ou l'Erbium 3 Nickel qui présentent une forte chaleur spécifique à ces températures et jouent, par conséquent, le rôle de filtre thermique.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le tamis 14 est réalisé à partir de billes, en plomb ou en Erbiu 3 Nickel, dont le diamètre est de l'ordre de 200 à 500 μ .
Le siphon 13 conduit le gaz à basse température, stabilisé par un premier tamis 14, dans un cryostat 16, à l'intérieur duquel est placé un objet 20 à refroidir. De préférence, l'objet à refroidir est placé à la sortie du siphon 13, à l'intérieur du cryostat .
Selon un mode de réalisation de l'invention, un second tamis 15 est placé dans le siphon, en amont de l'objet à refroidir ; ce second
tamis 15 permet d'améliorer encore la stabilité en température du gaz.
Ce second tamis 15, identique au premier tamis 14, permet de stabiliser, de façon précise, la température du gaz, à l'entrée du cryostat 16, c'est-à-dire avant d'atteindre l'objet à refroidir 20. A la sortie du cryostat 16, le siphon 13 se termine par un orifice 17 à débit variable. Cet orifice
17 est calibré ou bien réglé de façon à permettre un ajustement du débit de gaz, en sortie du dispositif.
Autrement dit, la température du gaz, et donc la température moyenne de l'objet, peut être ajustée au moyen de l'orifice 17.
Le siphon coaxial peut, par exemple, présenter un diamètre de 11 à 12 mm pour le tube extérieur et de 3 à 4 mm pour le tube intérieur, une longueur immergée dans le liquide comprise entre 200 mm et 700 mm et un diamètre de l'orifice de sortie de
3 mm. Dans cet exemple, le tube en acier inoxydable formant le siphon contient un tamis de billes d'une longueur de 80 mm avec un diamètre de
10 mm, et d'une masse de 28,5 g environ.
Ce siphon, comme les siphons utilisés généralement en cryogénie, est protégé par une garde de vide, afin de limiter les pertes thermiques.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise, comme fluide cryogénique, de l'hélium (pour une température de 5 à 50 K) . Toutefois, d'autres gaz peuvent être utilisés comme l'hydrogène ou encore le néon (pour une température de 50 à 60 K) .
Le dispositif de l'invention peut également être utilisé avec du butane, du méthane, de l'azote ou de l'oxygène, dans des applications où la température de refroidissement doit être plus élevée que celle proposée dans les modes de réalisation décrits précédemment ; avec de tels gaz les températures de refroidissement sont plutôt de l'ordre de 200 à 300 K, pour le butane et le méthane, et de l'ordre de 100 à 200 K pour l'azote et l'oxygène. Le dispositif de l'invention a l'avantage de pouvoir être dimensionné, en fonction de l'application choisie. Son dimensionnement s'effectue :
- en choisissant le fluide cryogénique le plus adapté à la température souhaitée ; - en effectuant des mesures des fluctuations thermiques au niveau de l'objet à refroidir en absence du dispositif de stabilisation ;
- en choisissant le matériau pour réaliser le tamis, le mieux adapté à la température à laquelle doit être refroidi l'objet ; et
- en déterminant la taille du ou des tamis en fonction des paramètres précédents.
On notera que les tamis sont dimensionnés par des calculs, qui utilisent les équations de la thermohydraulique décrivant les écoulements de fluide et les échanges thermiques ; ces calculs sont connus de l'homme de l'art et donnés dans l'ouvrage « Initiation aux transferts thermiques » de J. F. SACADURA du Centre d'Actualisation Scientifique et Technique de l'I. N. S. A. de Lyon, des pages 185 à 229.
Sur les figures 3A et 3B, on a représenté les courbes d'évolution de la température de l'objet (qui dans ce cas est une pince) , dans deux modes de réalisation : pour la figure 3A, le dispositif de l'invention ne comporte aucun tamis en sortie du vase Dewar et pour la figure 3B, le dispositif de l'invention comporte un tamis 15 à l'entrée du cryostat.
Les deux courbes ont été relevées dans des conditions identiques : même fluide cryogénique, même débit. Elles montrent toutes deux l'évolution de la température (en Kelvin) de la pince, en fonction du temps (en secondes) .
On voit sur la figure 3A, que le siphon coaxial 13, muni d'aucun tamis, permet de stabiliser la température à un écart de 40 mK.
On voit sur la figure 3B, que le siphon coaxial 13, muni du tamis 15, permet de limiter les fluctuations à un écart de 4 mK. Deux perfectionnement supplémentaires seront maintenant décrits au moyen des figures 4 et 5.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, au moins une résistance 25 est ajoutée. Sa fonction est d'apporter de la chaleur pour réguler la température de l'objet 20. On ne joue pas sur le flux de gaz mais on réchauffe l'objet 20 quand il est trop froid. L'avantage est qu'avec un flux de gaz stabilisé, on peut obtenir une meilleure stabilité du refroidissement dans une gamme de température choisie. La résistance 25 est choisie en fonction de la masse de l'objet 20 et de la température à laquelle
on veut le réguler. Sa forme sera adaptée à la forme de l'objet. Par exemple, pour un objet rond, on pourra l'entourer de résistances. Pour un objet long, un fil résistant sera bobiné autour. Pour une plaque, on utilisera une résistance à fil qui décrira des serpentins et sera disposée en surface. La puissance de la résistance est choisie en fonction de l'enthalpie de l'objet. Une sonde de température 24 mesure la température de l'objet 20 sans cesse et règle la puissance dépensée dans la résistance 25 en asservissant ses moyens de commande.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, une spirale 26 forme le siphon au fond du vase Dawar 10. Sa fonction est de faire diminuer la température d'admission du gaz par un meilleur échange avec le liquide cryogénique, permettant ainsi une meilleure utilisation du vase Dewar 10. En effet, tout l'échange thermique étant réalisé dans la spirale 26 imergée dans le liquide, l'échange thermique devient indépendant du remplissage du vase Dewar 10. Celui-ci est mieux utilisé. En effet ce mode de réalisation résout le problème qu'en prélevant en permanence du gaz qui provient de l' évaporation du liquide cryogénique, le niveau de liquide dans le vase Dewar 10 baisse et la longueur d'échange thermique dans l' échangeur 11 est diminuée d'autant : plus le liquide s'évapore, plus le gaz sort chaud.
Les dimensions de la spirale 26 sont choisies en fonctions du débit de gaz minimal souhaité et de la dimension du vase Dewar 10.
La spirale 26 s'étend donc au-dessous du fond de l' échangeur 11 : le gaz descend dans 1' échangeur 11, entre dans le siphon 13, continue de descendre en quittant l' échangeur 11, parcourt la spirale 26 et remonte vers l'objet 20. Dans une telle réalisation, l' échangeur 11 peut cesser d'être indispensable et être supprimé.
Claims
1. Dispositif de stabilisation thermique d'un objet (20) à refroidir à une température prédéterminée par circulation de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un vase Dewar (10) régulé en pression pour fournir un gaz ;
- un moyen (11, 26) pour pré-refroidir le gaz ;
- un cryostat (16) dans lequel est placé l'objet à refroidir ;
- un siphon (13) pour transporter le gaz du vase Dewar jusqu'au cryostat, ce siphon comportant, en son sein, au moins un tamis (14) assurant le filtrage thermique du gaz ; et un orifice de sortie (17) à débit variable assurant l'évacuation du gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tamis est constitué de billes en plomb ou en terres rares.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les billes ont un diamètre de l'ordre de 200 à 500 μ .
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux tamis (14, 15), un tamis au moins étant placé, dans le siphon, à la sortie de l' échangeur, et un autre étant placé, dans le siphon, en amont de l'objet à refroidir.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz est de l'hélium, pour refroidir à une température comprise entre 5 et 30 K.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le siphon comporte une paroi mince en acier inoxydable.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le siphon est coaxial.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une résistance électrique à puissance réglable avoisine l'objet (20) .
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une spirale (26) ou un serpentin forme le siphon au fond du vase Dewar (10) .
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moyen pour pré-refroidir le gaz comprend un échangeur coaxial (11) .
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