Brevet FR2010178A1 — publié le 19700213

TES.3222 18349 1 2010178 La présente invention concerne une installation permettant de transférer de la chaleur d'une température basse, à une température plus élevée. •. - - Dans une installation connue du genre que concerne la 5 présente invention, les' -eux niveaux de température sont inférieurs à la température du point ^ de l'hélium et l'installation comporte un canal de dérivation qui est rempli de ^He et dans lequel est disposée au moins une masse de matériau, imperméable à ^He normal, mais perméable â l'^Ee superfluide sans qu'il ne se'produise de ce fait des tourbillons. Cette masse 10 de matériau est disposée sur une certaine longueur du canal de dérivation et occupe entièrement l'ouverture de celui-ci. Le canal de dérivation comporte en outre un dispositif de pompage permettant de maintenir en régime une différence de pression entre les deux côtés de masse de matériau, cette masse de matériau et au moins la partie du canal de dérivation située du côté de la pression inférieure de cette masse étant thérmiquement isolée, la partie du canal de dérivation du côté de la pression supérieure de ladite masse de matériau étant en contact thermique avec un refroidisseur, par exemple un bain d'hélium, de température inférieure à celle du point ^ du ^He. Les dimensions du passage du canal de dérivation et du dispositif 20 de pompage sont choisies de telle façon que l'hélium y dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des tourbillons. La masse de matériau, qui est imperméable au ^He normal, 4 mais qui se laisse traverser par le He superfluide, sans qu'il ne se pro- 25 30 duise de ce fait des tourbillons, sera indiquée par "superfuite1.1 dans la suite du présent mémoire. Dahs ce dispositif conforme à l'invention, on.obtient un processus de refroidissement continu du fait de la formation des tourbillons dans .le cana'l de dérivation.. Selon Landau la force, qui s'exerce sur l'hélium contenu dans un canal, dont la température est inférieure â celle du point p| est donné par la formule A yii = ~ SÛT, dans laquelle ^ p = la différence entre les pressions régnant aux extrémités du canal f* = la densité de l'hélium S = l'entropie de l'hélium & T = la différence entre les températures régnant aux extrémités du canal. D'autres données à ce sujet sont mentionnées dans "Fluid Mechanics", L.D. Landau et E.E. Lifshitz; Pergamon Press 1959 et dans "Quantum Fluids", ... . • bâd original FEH'5222- 2 2010178 . 9 18349 D.F. Brewer; Proceedings of ttie Sussex University Symposium 16 à 20 août 1965. . De plus,, selon Anâerson é, yu = hn, h étant, la constante de Planck et n le nombre de tourbillnns quantifiés se produisant dans le 5 superfluide et formés sur la paroi du canal. Lors de la mise en fonctionnement du dispositif, mentionné dans 5_e préambule, une force A yu est exercée, sous l'action de la pompe, sur.le fluide contenu dans le canal de dérivation. A ce moment, la température régnant dans l'installation est partout la même, donc Aï1 = 0. Cela 10 implique que dans la susdite formule A yu se traduit par une pression A p exercée sur la partie du canal de dérivation raccordée au côté aspiration de la pompe (des tourbillons ne pouvant se produire dans la superfuite, ^ yU y sera égal à zéro). Par suite de cette pression, de l'hélium normal circule à travprs cette partie du canal vers la pompe, ce qui s'accompagne 15 d'un transfert de chaleur d'un côté de la superfuite vers la pompe et le refroidisseur. Le ce fait, il se forme une différence Aî entre les températures régnant de part et d'autre de la superfuite, ce qui a pour effet une réduction de la pression Àp exercée sur la partie de canal raccordée du côté aspiration de la pon-pe. lie ce fait, une pression agit sur la super-20 fuite, et ^ p étant égal â p S Aï, il ne se produit pas de tourbillons dans la superfuite. On obtient ainsi une installation simple permettant' de produire du froid â une température plus basse, à partir d'une température inférieure à celle du point "h de l'hélium. Cette installation nécessite 25 l'utilisation d'une pompe pour créer la force A yu, celle-ci pouvant être une pompe centrifuge ou une pompe â piston. Etant donné quJil n'existe aucune différence entre les températures régnant de part et d'autre de cette pompe,^ T = 0 et partant, Âyu = La difficulté est que cette pompe fonctionne à des températures voisines de 1°K, ce qui entraîne évi-30 decment des problèmes de construction, de plus, une telle pompe doit être accouplée â un dispositif d'entraînement fonctionnant à la température ambiante normale. Far suite de cet accouplement, dp la chaleur circule vers la pompe et par suite évapore une certaine quantité de l'hélium liquide entourant la pompe, ce qui produit une perte. ... 55 ' L'invention vise à r^eliser une installation j3u genre dé- . crit ci-dessus, rie construction plus simple et d'un fonctionnement amélioré par rapport à l'installation décrite .dans le préambule, le.dispositif de pompage fonctionnant suivant le principe de l'effet ''font&.ine". Dans le dispositif conforme à l'invention, les deux niveaux 40 de température sont inférieurs à la température du point ^ de l'hélium et BAD ORIGINAL ™"'222 5 2010178 18349 l'installation comporte un canal de circulation qui, lors du fonctionnement de l'installation, est rempli de ^Ee et est constitué par une première superfuite, îor.i une extrémité est raccordée à un canal d'amenée se "He à une température inférieure à celle du point et îont l'autre extrémité 5 est raccordée â une première enceinte dans laquelle de la chaleur est amenée à l'hélium et qui est raccordée, par l'intermédiaire d'une première canalisation et d'un refroidisseur dans lequel de la chaleur peut être prélevée de l'hélium à une température inférieure â celle du point â une seconde superfuite, dont l'autre extrémité est limitée par une seconde 10 enceinte dans laquelle de la chaleur peut être amenée à l'hélium et qui est raccordée â une seconde canalisation, alors que dans la première, et/ou la seconde enceinte est disposé un dispositif de chauffage permettant d'amener de la chaleur à l'hélium â une température supérieure à celle régnant en régime dans le refroidisseur, la première et la. seconde cana-15 lisation étant dimensionnées de telle façon qu'en régime le fluide dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des tourbillons, l'installation étant thermiquement isolée. C-n obtient ainsi une installation dans laquelle se produit un effet fontaine dans la première ou la seconde superfuite, par amenée 20 de chaleur au ^He contenu dans la première ou la seconde enceinte, à une température supérieure â cej.le régnant dans le refroidisseur, de sorte qu'une force À yu est appliquée sur l'hélium circulant dans le canal,_ ce qui implique, comme il a déjà été expliqué ci-dessus, que de part et d'autre de l'autre superfuite régnent des pressions et des températures 25 différentes. C'est ainsi que lorsque de la chaleur est amenée â la se-^ conde enceinte à température plus élevée, l'effet fontaine se produit dans la seconde superfuite, alors que des deux côtés de la première sur»rfuite se produisent des pressions et des températures différentes, ce qui se traduit par une température plus basse dans la première enceinte. Cette 30 température plus basse permet de refroidir un objet, qui cède alors sa chaleur â l'hélium à cette température plus basse. -ïtant donné que sous l'action de la pression, la première canalisation est traversée aussi bien par l'hélium superfluide, que par l'hélium normal, la chaleur- amenée S. la première enceinte étant évacuée par l'hélium normal circulant vers le 35 refroidisseur. j'aiitre part, il également possible d'amener de la chaleur â la première enceinte â une température plus élevée, de façon qu'il se produise un effet "fontaine" dans la première superfuite et que des pressions et des températures différentes- régnent -'"'es -eux côtés de la seconde superfuite, ce qui se traduit par une production de froid â une 40 température plus basse dans la secdnde enceinte. 'bad original ph«.5222 4 2010178 69 18349- Ainsi, on obtieht une installation munie d'un ou deux dispositifs de pompage ne comportant aucune pièce mobile, entraîné par un moteur fonctionnant à la température ambiante normale. Les dispositifs de chauffage peuvent comporter par exemple un fil chauffant spiralé élec— 5 trique de faible diamètre connecté à la température ambiante par l'intermédiaire de ceux fils, de sorte que l'apport de chaleur par conduction est faible. Il est également possible de réaliser les dispositifs de chauffage sous forme :1e plaquette ou de barre en matériau bon conducteur de la chaleur, reliée à la température ambiante par l'intermédiaire 10 d'un conducteur thermique. On obtient ainsi un dispositif frigorigêne dans lequel du froid est produit â un certain endroit, â une température basse,par amenée de la chaleur à l'un des -.ispositifs de chauffage, chauffage qui peut être effectué au choix dans la première ou la seconde enceinte, de sorte que le froid s'obtient, -gaiement au choix, dans la 15'- seconde ou la première enceinte. Suivant une autre forme de réalisation, l'installation conforme â l'invention est placée dans une enceinte à vide de façon qu'une extrémité de la première superfuite et la seconde canalisation débouchent hors de cette enceinte qui peut être immergée, dans un bain contenant du 2G "Tîe liquide à une température inférieure â la température du point /!, alors qu - liquide. alors que le refroidisseur est en contact thermique avec le bain de ^Ee Suivant une autre forme de r'alisation de. l'installation conforme à l'invention, l'extrémité de la seconde canalisation située â 25 l'opposé de la seconde enceinte est raccordée, par l'intermédiaire d'un autre refroidisseur dans lequel de la chaleur peut être prélevée sur l'hélium à une température inférieure à la température du point 7|, â, une extrémité de la première superfuite. Dans cette forme de réalisation, l'installation est donc constituée d'un canal de dérivation fermé compor-30 tant deux superfuites, deux enceintes et deux refroidisseurs. Suivant une autre forme de réalisation, cet ensemble peut être logé dans une enceinte â vide pouvant être immergée dans un bain contenant de l'hélium liquide à une température inférieure â la température du point "X , les deux refroidisseurs étant en contact thermique avec le tain d'hélium. 35 Là description ci-après, en se référant au dessin annexé, le tout donné â titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. L'installation représentée sur la fig. 1 comporte un canal (1) dans lequel esû insérée une première superfuite (2). L'extrémité su-4C périeure duâit canal (1) communique librement avec un bain d'hélium, liquide BAD OftiGiNÂL 5 2010178 69 18349 (3) se trouvant dans une vase de Dewar (4). La- température du bain d'hélium (3) est maintenue inférieure à celle du point }\ par aspiration de la vapeur se trouvant au-dessus dudit "bain d'hélium (j) â l'aide d'une pompe à vide, non représentée sur le dessin. C'est ainsi, que la tempéra-5 ture du bain d'hélium (3) peut être de 1,3°K. L'autre extrémité du canal (1) débouche dans une enceinte (5) dans laquelle est logé l'objet à refroidir (6). A la première enceinte (5) est raccordée une première canalisation (7)» dont l'autre extrémité est raccordée à une seconde superfuite (9)» Par l'intermédiaire d'un refroidisseur (8). 3e l'autre côté, la 10 superfuite (3) est limitée par une seconde enceinte (10). Cette enceinte (10) est raccordée à une seconde canalisation (12), qui débouche dans le bain d'hélium (3). Bans l'enceinte (10) est disposé un dispositif de chauffage électrique (11) alimenté, par l'intermédiaire des conducteurs électriques,par une source de courant non représentée sur le dessin. La 15 superfuite (2), l'enceinte (5)» le canal (7), le refroidisseur (8), la superfuite (9)» l'enceinte (10) et la canalisation (12) sont disposés dans une enceinte à vide (14)» communiquant par l'intermédiaire la canalisation (15) avec une pompe, non représentée sur le dessin, maintenant le vide désiré dans ladite enceinte (14). De plus, dans l'enceinte (5) se trouve 20 également un dispositif de chauffage (11'), alors que dans l'enceinte (10) est placé l'objet à refroidir (6'). L'installation fonctionne de la manière suivante. Lorsque le dispositif de chauffage (11) est mis en fonctionnement, la température régnant dans l'enceinte (10) devient légèrement supérieure à celle régnant 25 à la face inférieure de la superfuite (9) disposée dans le refroidisseur (8) où règne la température (1,3°K) du bain d'hélium (3). Si l'on suppose que dans le refroidisseur (8) règne une température Tq et une pression pQ et dans l'enceinte (10) une température Tq + il s'établit dans l'en ceinte (10) une pression p + Ap suivant la formule A /U = ^ - S A T et OS ' ( 30 par suite, du fait que a ^ug agissant sur la superfuite (9) est nul, la pression Ap agissant sur la superfuite est égale à p S ù T . • s / s La force exercée sur l'hélium contenu dans la seconde canalisation (12) est A g = - ' + S A g* Far suite de la formation de tourbillons dans la seconde canalisation (12), A /U, „ ?^0. L'extrémité / 1 35 ûe la seconde canalisation (1?) située à l'opposé de l'enceinte (11) débouchant dans le bain d'hélium, la température régnant r*e ce côté sera égale à la température ? régnant dans le refroidisseur (8). Cela implique que les différences entre les températures régnant de part et d'autre de la 40 superfuite et entre les températures régnant aux extrémités de la seconde ... A A BAD ORIGINAL canalisation soient égales, par conséquent A T = ZI IL De ce fe S » f £ 18349 6 2010178 : / A P1,2 A ps /U1 2 ~ ~ —p + ~~p— ou encore -*-a ^orce motrice de la pompe est 4p total " . „ yu. = — -, ce qui correspond, a la iormule de la torce motrice fournie pa.r exemple, par une pompe à liquide fonctionnant entre deux températures égales. 5 Grâce au susdit effet "fontain^*, de l'hélium circule donc du r-froiciisseur (ô) vers le bain d'hélium (3). Gela implique que la pression régnant dans le refroidisseur (8) soit inférieure à celle régnant dans l'enceinte (5.)». de sorte qu'il se produit une différence de pression ApY entre les extrémités de la première canalisation (î)- Par suite de 10 cette différence de pression, le fluide contenu dans cette canalisation est soumis à une force motrice telle que l'hélium superfluide et l'hélium normal circulent vers le refroidisseur (8). Le courant d'hélium normal correspond à un courant de chaleur circulant de l'enceinte (5) vers le refroidisseur (ô). Le ce fait, la température régnant dans l'enceinte (5) 15 baisse. Il en résulte une différence 4 entre les températures régnant des deux côtés de la superfuite (2), ce qui a pour effet de créer une pression agissait sur ladite superfuite (2), de sorte que Ap = , S ' s des tourbillons ne se produisant pas dans la superfuite (2). Il s'établit alors un état d'équilibre dans lequel la force- motrice exercée sur le 20 fluide est fournie par la pompe constituée par la superfuite (9)» l'enceinte (10), le dispositif de chauffage (11) et la canalisation (12) et est tout juste égale à la force motrice nécessaire pour assurer la circulation du fluide dans la .partie de l'installation constituée par la superfuite (2), l'enceinte (5) et la canalisation (7). De ce fait, il se pro-25 duit dans l'enceinte (5) une température plus basse, par exemple, de 0,7°K. Dans l'enceinte (5) est disposé l'objet â refroidir (6), cédant de la chaleur à l'Hélium à ladite température. La .chaleur ainsi produite est évacuée par le courant d'hélium normal, circulant par 1'intermédiaire de la canalisation (7) vers le refroidisseur (8). On obtient ainsi un re-30 froidissement de l'objet (6). Le refroidisseur (8) est réalisé sous forme d'une portion dé canal qui, afin.de présenter une grande surface d'échange calorifique,, est remplie d'un matériau de .frittage, tel que des billes.de cuivre frittées, la paroi extérieure étant- en contact , avec une plaque en cuivre.( 13) ». munie 35 d'ailettes de refroidissement immergées dans le bain d'hélium. Ainsi, l'hélium circulant à partir.de la canalisation (7) vers le refroidisseur (3) est refroidi jusqu'à la température régnant dans le bain d'-helium: (3). Au lieu d'utiliser -le dispositif de. chauffâge- ( 11 )., .on peut au besoin utiliser le dispositif 5e chauffage (11') disposé dans^l^en- bad original TES.3222 69 18349 7 2010178 ceinte (5)» Il en résulte un effet "fontaine" dans la superfuite (2) et, de ce fait, la pression régnant dans l'enceinte (5) est supérieure à celle régnant dans le refroidisseurv.{8). L'hélium circule â partir de l'enceinte (5)» par l'intermédiaire de la canalisation (?}, vers le re-5 froiclissetir (s) dans lequel il est refroidi â la température du bain d'hélium (3). D'après la description ci-dessus, il s'établit des différences entre les pressions et les températures régnant de part et d'autre de la superfuite (9)» alors qu'entre les extrémités de la canalisation (12) se produit, une différence de pression, provoquant la circulation du 10 fluide de l'enceinte (10) vers le "bain d'hélium. Grâce à cette circulation d'hélium normal, de la chaleur est transférée du réservoir (1C), dont la température est "basse, vers le "bain d'hélium. Du froid est alors produit dans l'enceinte (10) â une température de 0,7°K par exemple. Le froid ainsi produit peut par exemple être utilisé pour refroidir l'objet (£'). 15 C-n obtient ainsi un dispositif de refroidissement pour des températures extrêmement basses, permettant de produire du froid à un endroit déterminé par amenée S.e chaleur à un autre endroit, La fig. 2 montre une autre forme de réalisation de l'installation de la fig. 1. Dans cette forme de réalisation, la première 20 superfuite (2), la première enceinte (5)» la première canalisation (7)» le refroidisseur (8), la seconde superfuite (9) et la seconde canalisation (12) sont réalisés et reliés entre elles de la manière décrite dans l'installation représentée sur la fig. 1, abstraction faite de l'extrémité de la canalisation (12) située à l'opposé de l'enceinte (10) reliée, par 25 l'intermédiaire d'une ca-nalisation (17) e"t d'un autre refroidisseur (13), à la superfuite (2) situé à l'opposé de l'enceinte (5)* La canalisation (17) et le refroidisseur (13), muni d'ailettes de refroidissement, sont disposés hors de l'enceinte à vide (14) de façon à être en contact avec le bain d'hélium (3). Ainsi, on obtient un canal de circulation fermé 30 rempli de ^He. Le fonctionnement de cette installation correspond exactement à celui de l'installation représentée sur la fig. 1. Il est évident que du point de vue de la construction, on. peut réaliser un grand nombre de variantes non représentées sur le- dessin, tout en mettant en oeuvre le principe sur lequel est basée 1'invention, à savoir 35 la création d'une différence de pression de part et d'autre dé la première superfuite, par création d'une différence de température de part et d'autre de la seconde superfuite; ces superfuites sont reliées entre elles par des canalisations* dimensionnées de façon telle que le superfluide dépasse la vitesse critique lors de son passage. BAD ORIGINAL pmr.3222 s on10178 18349 2010178 R3VZ3DICATI0ITS : 1. Installation permettant de transférer de la chaleur d'une température basse vers une température plus élevée, caractérisée en ce que les deux températures sont inférieures à la température du point de l'hélium et que -11 installation comporte un canal de circulation qui, en régime, est rempli d'ë ^He et est constitué par une-première superfuite, dont une extrémité est raccordée â un canal d'amenée de à une tempéra ture inférieure à celle du point 7\ et dont l'autre extrémité est raccordée â une première enceinte dans laquelle de la chaleur peut être amenée â l'hélium et qui est raccordée, par l'intermédiaire d'une première canalisation et d'un refroidisseur dans lequel de la chaleur peut être prélevée sur l'hélium à une température inférieure à. la température du point 7^, à une seconde superfuite, dont l'autre extrémité est limitée par une seconde enceinte dans laquelle de la chaleur peut être amenée à l'hélium et à laquelle est raccordée une seconde canalisation, alors que dans la première et/ou la seconde enceinte est "lisposé un dispositif de chauffage permettant d'e-.ir.ener de la chaleur â l'hélium à une température supérieure à celle régnant en régime dans le refroidisseur et les première et deuxième canalisations sont dimensionnées de telle façon qu'en régime le fluide circulant dans ces canalisations dépasse sa vitesse critique et qu'il se procuise des tourbillons, cette installation étant tbermiquement isolée. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est logée dans une enceinte 2 vide hors de laquelle ^ébouche une extrémité de la première superfuite et la seconde canalisation, cette enceinte â vide pouvant être immergée, avec l'installation qu'elle eon- .1 tient, dans un bain de "He liquide d'une température inférieure S la température du point le refroidisseur étant en contact thermique avec le 4 bain de He liquide. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité ce la seconde canalisation s"tuée â l'opposé de la seconde enceinte est raccordée, par 1.' intermédiaire d'un autre refroidisseur dans lequel de la chaleur peut être prélevée sur le fluioe â une température inf érieure à celle du point jf\. , £ un côté de la première supe.rfuite. 4» Installation selcn la revendication 3,- caractérisée en ce qu'elle est logée dans une enceinte â. vide pouvant être immergée dans un bain d'hélium liquide '.'une tempére,tu35e-."inférieure à celle du point , les- ceux refroidisseurs étant en contact thermique avec le bain d'hélium. BâD ORIGINAL