Brevet FR2010177A1 — publié le 19700213

18348- 2010177 La présente invention concerne une installation'pour le transfert de chaleur d'un niveau de température bas à un niveau de températurè plus -élevé, ces deux niveaux de température étant inférieurs à la température du point ^ de 4 Hé. Une installation connue de ce type est décrite dans 5 Cryogénies, Avril 1966, pages PO à 88. Cette installation est remplie d'un 3 4 • - mélange He- He et comporte une chambre de mélange dans laquelle règne une température très basse, par exemple 0,1 °K, et oui communique, par l'intermédiaire d'un canal de circulation, avec un réservoir d'évaporation dans lequel règne une température de 0,8°K par exemple. L'enceinte d'évaporation 10 de ce réservoir communique par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant avec le côté aspiration d'une pompe de diffusion fonctionnant à la température ambiante normale et assurant l'évacuation 3 de la vapeur. Par suite de l'a plus grande volatilité de He, cette vapeur est composée de ce dernier. Depuis le côté compression de la pompe, cette 15 vapeur est amenée, par l'intermédiaire desdits échangeurs de chaleur, dans lesquels la valeur circulant vers la pompe est refroidie à contre- courant, et d'un ou de plusieurs réfrigérateurs dans lesquels le fluide est refroidi davantage jusqu'en deçà de sa température de condensation, à un autre échangeur de chaleur qui est disposé en contact thermique 20 avec le canal de circulation et dont le côté évacuation est raccordé à ladite chambre de mélange. Du fait que l'installation est d'abord 4 3 remplie d'un mélange de He et de He et que pratiquement seule la 3 vapeur de He sera maintenue en circulation, le fluide se trouvant dans la chambre de mélange et le canal de circulation est pratiquement 4 25 constitué par du He qui, suivant la température, est partiellement consti- 4 tué par du superfluide, partiellement par du He normal. Au-dessous de 3 4 0,8°K, il se produit dans des mélanges de He- He liquides une 3 séparation de phases, notamment en une phase riche en He, qui se com- 3 porte comme un liquide, et une phase pauvre en He, qui se comporte 30 comme un gaz. Cette séparation de phases se manifeste dans la chambre de 3 * " mélange . A la transition entre la phase riche en He (liquide) et la phase pauvre en He (gaz) se produit, pour ainsi dire, une évaporation et la chaleur nécessaire à cet effet (chaleur d'évaporation) fournit 3 un effet de refroidissement. Puis, le He contenu dans la quantité 35 superfluide de 4He se trouvant dans le canal de circulation se détend, ce qui se traduit par la production d'une quantité notablement plus 69 18348 : * 2010177 grande de froid, qui est cependant entièrement nécessaire pour le re-■ froidis s eurent au courant de '^He circulant vers la chambre mélangeuse. " L'installation connue présente l'inconvénient que la .vapeur de ^He provenant du réservoir d'évaporation est chauffée. â la température 5 am'biante îiormale pour être refroidie ensuite â la température d'hélium : liquide. Cela s'accompagne, évidemment, de pertes et nécessite un dispositif d'une construction très compliquée. Un autre inconvénient important réside dans le fait ^ue la pompe de diffusion fonctionne â la température ambiante normale, ce^qui a pour effet qu'à la pression très "basse de par 10 exemple 10 ^ mm de mercure, seules de petites quantités peuvent être maintenues en circulation, ae sorte que la production de froid est également petite. Dans une autre installation proposée pour le [transfert de chaleur d'un niveau de température bas vers un niveau de température plus élevé, 15 niveaux qui sont situés tous les deux au-aessous de la température du point^ du \ïïe, du ^ïïe pur est maintenu en circulation dans un canal de dérivation contenant une""superfuite". Par "superfuite", il y a iieu d'entendre, dans la suite de - / la description, une masse de matériau qui est imperméable qu He normalf 20 mais qui se laisse' traverser par le ^e superfluide sans qu'il se produise de ce fait des tourbillons. Le reste au canal de aérivation est réalisé de telle façon que le fluide y dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des tourbillons. Or, la pompe exerce sur l'hélium contenu dans le canal de 25 dérivation" une force qui, pendant le démarrage, c'est-â-dire au moment où la température est partout la même, se traduit par une pression agissant sur la partie àu canal de dérivation ne contenant pas de "superfuite". Il ne*se produit aucune pression agissant sur la superfuite aussi longtemps que la température"régnant des deux côtés de cette superfuite est la même. Grâce à- la pression exercée sur l'autre partie du canal de dérivation, l'hélium, tarit superfluide que noi-mal, se met en circulation. Cela implique que de la chaleur est transférée par 1'hélium normal, notamment- d'un côté de la superfuite vers la pompe et le réfrigérateur-présent. II.en résulte qu'une différence de température s'établit de pa*rt et. d'autre^ de la superfuite, ce qui se traduit par une différence de pression correspondante.' Ainsi, dans le cas d'une différence de pression, .régnant de"part et d'autre de la superfuite,,la différence de pression régnant des deux côtés de cette superfuite,augmente et, simultanément, la différence de pression exercée sur l'autre .partie du eaijal de dérivation diminue.,, jusqu'à ce qu'un équilibre se soit ..établi, de taçon qua d.'un.côtéoae, la '~n " ' ; BAD ORIGINAL 30 35 40 69 18348 3 2010177 superfaite règne une température très basse et de la chaleur est transférée audit côté vers le réfrigérateur. Dans ce cas, l'installation est à même de refroidir un objet â ladite température basse» Or, l'invention vise à fournir une combinaison de l'installation 5 connue fonctionnant à l'aide de mélanges de ^He et de ^le et l'installation proposée fonctionnant â 1'aide de ^e pur, la production de froid étant obtenue d'une part par des mélanges cycliques de ^He et ^Her suivi d'une détente de ^Ïïe dans du ^He superfluide et, d'autre part, par formation d'une pression agissant sur une "superfuite" et un transfert de froid 10 par un courant de ^ïïe superfluide dépassant sa vitesse critique. L'installation conforme à l'invention comporte une pompe â liquide, dont l'évacuation est raccordée, par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs réfrigérateurs, â un premier et un deuxième canal a'amenée, l'autre extrémité du premier canal d'amenée étant raccordée â la partie 15 supérieure d'une chambre de mélange et le deuxième canal d'amenée comportant une superfuite et débouchant dans la partie inférieure de ladite chambre , qui est munie d'un canal d'évacuation en contact thermique avec le premier canal d'amenée et dont 1'autre extrémité est raccordée au côté aspiration de la pompe â liquide, alors que la chambre de mélange, 20 le premier canal d'amenée, le second canal d'amenée et le canal d'évacuation sont isolés thermiquement et quele dispositif est en régime rempli d'un mélange de ^He et ^ïïe, le tout de façon qu'en régime, la température régnant dans ledit ou lesdits réfrigérateur(s) soit inférieure â celle du point^ du mélange de ^He-^ïïe se trouvant du côté entrée du premier 25 et du second canal d'amenée, de sorte qu'il s'y produit une séparation du ^He et du ^He et que la concentration du ^ïïe se trouvant dans le premier canal d'amenée est supérieure à celle se produisant dans le canal d'évacuation et la pompe, alors que les dimensions dudit canal d'évacuation sont choisies de telle façon que le fluide circulant dans ce canal y dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des tourbillons. Dans l'installation conforme â l'invention, le fluide reste continuellement dans la phase liquide, ce qui évite des pertes provoquées par suite du chauffage à la température ambiante normale et du refroidissement suivant à la température de l'hélium liquéfié, comme celles ae 35 produisant dans le dispositif connu. De plus, dans l'installation conforme â 1'invention, le liquide est maintenu en circulation, ce qui permet d'en transporter facilement une grande quantité. Dans l'installation conforme à l'invention, une séparation du ^He et du ^He s'obtient en amenant le mélange soumis à pression par la pompe vers un endroit refroidi où le canal d'évacuation de la pompe 40 BAD originM- 69 18348 4 2010177 est raccordé au premier canal"d'amenée et au second canal d'amenée comportant la "superfuite". L'endroit refroidi est maintenu à une température inférieure â celle du point/A du mélange se trouvant â cet endroit. Le ^He superfluide peut facilement traverser la superfuite, alors que 5 celle-ci présente une résistance à la circulation très élevée pour le "^He, De ce fait, le ^He traverse le premier canal d'amenée. Ce premier canal d'amenée présente une impédance élevée pour le superfluide. La chaleur détaxée pendant la séparation est évacuée vers le refroidisseur. Le "^ïïe contenu dans le premier canal d'amenée est refroidi davantage 10 par échange thermique avec le fluide contenu dans le canal d'évacuation. Dans la chambre de mélange, le "^ïïe et le ^e sont à nouveau combinés, ce qui a pour effet la production d'une grande quantité de froid â une température très basse. Ce froid peut être utilisé pour le refroidissement d'un objet à refroidir, refroidissement lors duquel de la chaleur 15 est amenée au fluide. L'évacuation de cette chaleur s'effectue à l'aide du "^He et du ^"He normal circulant dans le canal d'évacuation. Le "^He est évacué par ledit canal d'évacuation à une concentration plus basoe que celle à laquelle il est amené. Cela est possible, du fait que les dimensions du canal d'évacuation iiont choisies de teile façon 20 qu'il se produise des tourbillons dans le supei'fluiae, ce qui se traduit. par une pression agissant sur le canal d'évacuation. De ce fait, le "^Ke, aussi bien que le ^ïïe nox-mal et le ^ïïe superfluide traversent le canal d'évacuation. • . - Ainsi, on obtient une installation de construction simple, 25 permettant de produire, avec un rendement convenable, une grande quantité de froid à une température très basse. Dans une autre forme de réalisation avantageuse, la pompe à liquide e^t constituée par une pompe centrifuge. 'Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'installa-30 tion conforme à l'invention, le pz-emier et le second canal d'amenée, la chambre de mélange et le canal d^évacuation sont disposés dans une enceinte à vide et le tout est immergé dans.de l'hélium liquéfié, dent la température est inférieure à celle du pointdu ^He. Une autre forme de réalisation avantageuse comporte une- seconde 35 installation servant â transférer de la chaleur d'un niveau de température bas à un niveau de. température plus élevé, ces deux niveaux étant inierieurs à la température du point^X de %e, .installation dont la partie, la. plus froide est en contact -thermique avec le premier-cariai, d'amenée. i/e ce fait, le fluide contenu dans le premier canal d'amenée est refroidi, ce 40 qui permet d'atteindre une température plus basae dans la chambreJde mélange. ♦ " gAD ORIGINAL 69 18348 5 2010177 La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les figures, le chiffre de référence (1) désigne une chambre 5 de mélange^ à laquelle sont raccordés un premier canal d'amenée (2) et un second canal d'amenée (3) dans lequel est disposée une "superfuite"(4), le tout de façon que le premier canal d'amenée débouche dans la partie supérieure de la chambre de mélange et le second canal d'amenée dans la partie inférieure de ladite chambre. De plus, un canal d'évacuation 10 (5) est raccordé à la partie inférieure de la chambre de mélange. Le premier canal d'amenée (2) et le canal d'évacuation (5) sont en contact thermique par l'intermédiaire des échangeurs de chaleur (7), (8) et (9) (le nombre d'échangeurs de chaleur peut, évidemment, être augmenté ou réduit). Chaque échangeur de chaleur est constitué par un corps en 15 matériau bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre, alors que dans ce corps sont disposées deux chambres (11) et (12) contenant des petites boules de cuivre fritté insérées respectivement dans le premier canal d'amanée (2) et dans le canal d'évacuation (5), La chambre de mélange (l), le premier canal d'amenée (2) et le canal d'évacuation (5) dans 20 lesquels sont insérés les échangeurs de chaleur (7), (8) et (9) et la partie du second canal d'amenée (3) dans laquelle est disposée la superfuite (4), sont logés dans une chambre à vide (14). Ladite chambre (14) est entourée d'un bain (15) d'hélium liquéfié à une température de 1,3°K par exemple. 25 L'extrémité du canal d'évacuation (5) située à l'opposé de la chambre mélangeuse est raccordée à une pompe à liquide (16). L'évacuation (17) de cette pompe (16)est raccordée, par l'intermédiaire d'un refroidisseur (18), au premier canal d'amenée (2), aussi bien qu'au second canal d'amenée (3). Au côté aspiration de la pompe (16) est 30 également raccordée une canalisation (20) que traverse le mélange de He et de ^He. L!installation fonctionne de la manière suivante. Un mélangé de "^He et de ^He est amené sous pression sous l'action de la pompe (16) à l'évacuation (-17). Etant donné que l'évacuation (17) est en 35 contact thermique avec le bain d'hélium (15), le mélange présenté une ■ température d'environ 1,3 K. Du fait que la superfuite (4) présente 3 - /• une résistance élevée à la circulation du He, elle n'est traversée que par le He superfluide. Le canal dramenée-(2) est réalisé de telle" BAD ORIGINAL 69 18348 6 2010177 façon que, comparativement â 3?a superfaite, il présente une grande.résistance au -superfluide. La canal (2) est donc essentiellement -, traversé par un courant de ^He ne contenant que quelques pourcents de Aie, . .ainsi, le courant de ^He et de ^ïïe est séparé avant son- entrée dans les'canaux 5 d'amenée (2~) et (j). Une telle dépuration s'accompagne d'une cession de chaleur, cette chaleur étant évacuée, vers le bain, d'hélium liquéfié (15). ?ar suite de la pression agissant sur la superfuite (4) sous l'action de la pompe (1b), il s'établit une différence de température de façon que la température régnant dans la chambre mélan^euse soit in-10 férieure à 1,3°K, par exemple 0j6°K. Le courant de He circulant, par l'intermédiaire du canal d'amenée (2), vers la chambre mélan6euse- est refroidi dans les échangeurs de chaleur (9), (&) et.(7). Dans la chambre mélangeuse (1), le courant de "^He est â nouveau mélangé avec le courant de ^He. XI se produit une certaine quantité de froid (chaleur de transi— 15 tion + détente du ^He dans le ^He). Ce froid peut être utilisé pour le refroidissement de l'objet. La chaleur amenée lors de ce refroidissement est transférée, par.le fluiae circulant par l'intermédiaire du canal d'évacuation (5) vers..le côté aspiration de -la pompe, vers un niveau de température plus élevé (1,3°K). Un refroidissement s'obtient d'une 20 part par la transition de . la phase "^He riche â.ia. phase de \e pauvre et par la détente du ^ïïe dans le ^He et, d'autre part, par suite du fait qu'il se j:rodu.it dans le canal d'évacuation des tourbillons dans le superfluide, ce qui se traduit par une différence entre les pressions exercées aux deux extrémités du canal, de sorte qu'outre le superfluide, 25 du ^He normal et du ^He circulent également par le canal d'évacuation, ce qui a pour effet qu'uncourant ae chaleur = cireula â partir de la chambre de mélange vers le bain d'hélium.. Lors de cette circulation, le "^Ee peut éventuellement ae -détendre davantage.dans le canal d'évacuation, ce qui s'accompagne d'une production de froia, froid qui peut être utilisé pour 30 le refroidissement du ^He contenu dans le canal d'évacuation (2). Ainsi, on obtient une installation -présentant un pouvoir de refroidissement élevé,, installation qui fonctionne entièrement dans la phase liquide et dans laquelle, se produit néanmoins une séparation et un mélange cycliques du .^He et du ^He. . . 35 La fig. 2 représente une installation permettant, de transférer de la chaleur entre deux niveaux de température inférieurs au -point de l'hélium. L'installation comprend la même installation; que: celle' î représentée sur la fig. 1. Les pièces de cette installation portent les mêmes chiffres 4° de référence que sur la fig. 1. L ' installation comporte en outre urg£gp@fè\GiNAL 69 18348 7 2010177 dispositif de refroidissement fournissant également au froid à une température inférieure au pointde l'hélium. Le dispositif de refroidissement comporte une première superfuite (2^), dont un côté communique librement avec le bain de ^He liquide (15), l'autre côté avec une enceinte 5 (26) disposée dans l'échangeur de chaleur (9)• L'enceinte (26) communique, par l'intermédiaire d'une canalisation (27) et d'un refroidisseur (28), avec une seconde superfuite (29). Du côté supérieur, la superfuite (29) est limitée par une enceinte (30) dans laquelle est disposé un dispositif de chauffage (31). L'enceinte (30 ) communique, par l'inter- 10 médiaire d'une canalisation (32), avec le bain de ^Ze. Ce dispositif est entièrement lo&é dans l'enceinte â vide (14)* Il fonctionne de la manière suivante. Lorsque le dispositif ae chauffage (31) est mis en fonctionnement, la température régnant dans l'enceinte (30) devient supérieure à celle régnant dans le refroidisseur (28). De ce fait, il 15 se produit dans 1% superfuite (29) un effet dit de "fontaine" et de l'hélium superfluide circule, à travers la superfuite (29), vers l'enceinte (30) et ensuite, par l'intermédiaire de la canalisation (32), vers le bain d'hélium. De ce fait, la pression régnant dans le refroidisseur (28) diminue, de sorte que du fluide provenant de l'enceinte (26), 20 circule par la canalisation (27) vers le refroidisseur (2b). La canalisation (27) est dimensionnée de telle façon que le fluide y" dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des tourbillons. Cela implique que la canalisation (27) est traversée par de l'hélium superfluide, aussi bien que par de l'hélium normal. L'hélium normal amène de la 25 chaleur de 1'enceinte (26) vers le refroidisseur (28), de sorte que l'enceinte (26) présente une température inférieure â celle régnant dans le bain d'hélium (15)« H se produit donc une différence entre les températures régnant de part et d'autre de la superfuite (25). Le froid obtenu dans l'enceinte (26) est utilisé pour le refroidissement du 30 courant de "^He circulant dans le canal d'amenée (2). Cela implique que le ^He contenu dans 1'échangeur de chaleur (9) présente une température plus basse que dans le cas de 1'installation représentée sur la fig. 1. De ce fait, la température régnant dans la chambre de mélange (1 ) est également plus basse, de sorte que l'installation représentée aur 35 la fig. 2 fournit du froid â une température plus basse que celle représentée sur la fig. 1. Il est évident qu'au lieu du dispositif de refroidissement (25) - (32) on peut également utiliser un autre dispositif pour refroidir le ^He contenu dans le canal d'amenée (2). 69 18348 6 2010177 EBV3:Dig*TICiF3i 1 , Installation permettant de transférer ae la chaleur d'un niveau de température "bas vers un niveau de température plus élevé, ces deux niveaux de température étant inférieurs à celle du point ^ 5 du He, caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à liquide dont l'évacuation eot raecora.ee, pe.r l'intermédiaire d'un ou de plusieurs refroidisseurs, à. un f ramier canal d'amenée, aussi "bien qu'à un second canal d'amenée, une extrémité au premier canal d'amenée étant raccordée à la partie supérieure d'une chambre de mélange et le 13 second canal d'amenée comportant une superfuite et débouchant par son autre extrémité dans la partie inférieure ae ladite chambre, à laquelle est raccordé un canal a'évacuation ae trouvant en contact thermique i»vee le premier canal d'amenée et raccordé, par son autre extrémité, au côté aspiration ae la pompe ae liquide, alors que la 1j cnambre de mélange, le premier canal d'amenée et le second canal d'amenée et le canal d'évacuation sont thermiqueinent isolés et que l'installation est, en régime, remplie d'un mélange de "^Hé. et de ^He, le tout de façon qu'en régime la température régnant dans lesdits refroidisseurs soit . -> A inférieure à celle du point du mélange de "^He - rie se trouvant du 23 côté entrée au premier et au second canal d'amenée, de façon qu'il s'y • proauise une séparation du courant de ^ïïe et de ^He et que la concentration du ^ïïe contenu dans le premier canal d'amenée soit supérieure â. celle se produisant dans le canal d'évacuation et dans la pompe, les dimensions du canal d'évacuation étant choisies de telle façon que le 25 fiuide y dépasse sa vitesse critique et qu'il se produise des -tourbillons . 2. Installation selon la revendication 1, caractérisés en ce que la pompe à liquide est constituée par une pompe centrifuge-, 3# Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée 33 en ce que la chambre de mélange, le premier canal d'amenée et le second canal d'amenée, et le canal.d'évacuation sont disposés dans une enceinte à vide, le tout étant immergé dans de l'hélium liquide, aont là température est inférieure à celle du point^ du ^He. 4. Installation selon une ou plusieurs des revendications prêeé- 35 dentes, caractérisée en ce.qu'on a prévu une seconde /installation pour transférer de la cnaleur - d'un niveau de température bas à un niveau de tcmpci-ature plus élevé, niveaux qui sônt inféi'ieurs à la température du pointdu ^Her alors que la partie la plus froide ae l'installation est en contact thermique avec le premier canal d'amenée. J Bâd original