Brevet FR2026570A1 — publié le 19700918

-i- 2026570 La présente invention se rapporte à un procédé de refroidissement d'un appareil utilisateur constitué par un électro-aimant à enroulement supraconducteur partiellement stabilisé, le refroidissement étant effectué à l'aide d'un courant d'hélium circulant 5 dans un circuit réfrigérant. On sait que l'on distingue les aimants à enroulement supraconducteur complètement stabilisé de ceux qui le sont partiellement. En effet, on sait qu'une variation brusque de flux dans les bobines provoque un dégagement de chaleur qui risque de porter . 10 localement le matériau conducteur à une température supérieure à celle de transition, c'est-à-dire au point de changement brusque de la conductivité. Un excès de chaleur ohmique se dégage aussitôt à un emplacement devenu conducteur normal et ce phénomène risque de se propager et de porter l'ensemble de 1'électro-aimant 15 à une température supérieure à celle de transition. On sait que l'on appelle "stabilisation de 1'électro-aimant" le fait d'empêcher cet effet de propagation de la chaleur. La matière supra-conductrice, par exemple l'alliage ÎTb-Ti ou Hb-Zr, est noyée dans un conducteur à bonne conductibilité normale, par exemple en cui-20 vre ou en aluminium, qui est chargé d'évacuer rapidement la chaleur et qui recueille le courant du conducteur en cas de passage éventuel à la conductibilité normale. Un électro-aimant capable de contenir des tronçons de fil à conductibilité normale pendant une longue période sans propagation de chaleur est appelé complè-25 tement stabilisé. Par contre, on dit d'un électro-aimant qu'il est partiellement stabilisé si, lorsqu'on le refroidit pour le porter à une température bien inférieure à celle de transition, on empêche complètement ou au moins fortement cette température d'être dé-30 passée localement. La présente invention se rapporte à un procédé pour refroidir les électro-aimants de ce genre. Il est actuellement usuel de disposer les bobines des élec-tro-aimants à supraconduction dans un bain d'hélium liquide refroidi à environ 4-,5°K. Cependant^ on ne peut obtenir ainsi qu'ion 35 coefficient relativement mauvais de transmission de la chaleur des bobines à l'hélium liquide, car une partie de.ce dernier se vaporise en absorbant la chaleur et il risque de se former au moins partiellement, sur la surface de contact du bain liquide et de la bobine, une couche de vapeur d'hélium qui nuit beaucoup 69 43969 -2- 2026570 à l'échange de chaleur. Il faut donc dans certains cas une masse très importante de matière à conductivité normale dans la ou les bobines afin qu1 ei/cas d'échauffement brusque de la matière supra-conductrice portée à une température supérieure à celle de transi-5 tion, le conducteur normal puisse absorber la chaleur ohmique dégagée. En outre, cette grande masse de matière à conductivité normale, d'une part augmente considérablement les dimensions et donc le poids de 1'électro-aimant etjd^autre part, a pour conséquence que la surface périphérique des bobines est relativement grande, ce 10 qui augmente de manière correspondante le rayonnement de chaleur provenant de l'extérieur, si bien qu'il faut compenser ce rayonnement par un travail de refroidissement considérable. La présente invention se rapporte à un procédé de refroidissement d'électro-aimants à bobines supraconductrices partiellement' 15 stabilisées, permettant de remédier aux inconvénients précités,c'est-à-dire destiné à permettre de réaliser des électro-aimants dont le poids, et par conséquent le volume, soient beaucoup plus faibles que ceux de l'art antérieur, par le fait que le coefficient d'échange de chaleur entre l'hélium qui constitue le réfrigérant et les bo-20 bines est notablement amélioré et ne nécessite qu'une masse plus faible de matière à conductibilité normale. Selon une particularité essentielle du circuit réfrigérant de l'invention, l'hélium est comprimé puis, au-dessous de sa température d'inversion, séparé en deux courants, dont l'un est étranglé, 25 réchauffé par échange de chaleur avec de l'hélium non étranglé du circuit, détendu avec,abandon d'énergie puis réuni à de l'hélium sous pression correspondante du circuit, tandis que le second courant partiel est porté par étranglement à une pression supérieure à la pression critique et refroidi par échange de chaleur avec de 30 l'hélium froid du circuit, puis il circule sans condensation ni "vaporisation dans au moins une bobine de 1'électro-aimant constituée en conducteur creux et dans laquelle il est étranglé - le conducteur creux étant un conducteur à conductibilité électrique normale enrobant des éléments supraconducteurs -, puis ce courant partiel est 35 encore étranglé de manière à former un mélange de vapeur et- de liquide qui est vaporisé au moins en grande partie en absorbant la chaleur d'autres éléments reliés à l'appareil utilisateur, ce cou 69 43969 -3- 2026570 rant partiel étant finalement réchauffé par échange de chaleur avec étant de l'hélium, qui circule dans le circuit réfrigérant et/recomprimé. Il est indispensable que le coefficient d'échange thermique soit très grand pour absorber l'échauffement créé par les variations de 5 flux dans 1'électro-aimant. Le fort débit massique du réfrigérant par unité de section et la grande longueur du ou des conducteurs creuz provoquent dans celui-ci ou ceux-ci une perte de charge relativement importante de l'hélium. En conséquence, le deuxième courant partiel est étranglé de manière que sa pression soit surcritique, 10 c'est-à-dire supérieure à 2,26 bars, par exemple égale à 3 bars, à son entrée dans la bobine de 1'électro-aimant afin de pouvoir subir cette forte chute de pression dans le conducteur creux. Il est avantageux que la pression de lthélium à son entrée dans ce conducteur creux soit assez grande pour qu'il en sorte à une pression surcri-15 tique, c'est-à-dire sous forme gazeuse. Selon une variante de réalisation de l'invention, le courant partiel d'hélium gazeux qui entre dans le conducteur creux à une pression surcritique est étranglé dans ce dernier au point qu'il en sort sous la forme d,un liquide sur-refroidi à pression souscritique. Dans 20 cette forme de réalisation, le gaz se transforme à l'intérieur du conducteur creux en phase liquide sous-refroidie, toutefois ce conducteur est toujours parcouru par un courant d'hélium qui est, soit sous phase gazeuse, soit sous forme de liquide sous-refroidi, de sorte que le coefficient de transmission de chaleur est toujours bon, 25 contrairement aux processus usuels dans lesquels l'hélium liquide se vaporise partiellement pendant l'absorption de chaleur. On peut par exemple séparer l'hélium resté liquide du deuxième courant partiel une fois que celui-ci a été pour la plus grande partie vaporisé par échange de chaleur avec les autres éléments de l'ap-30 pareil, et l'utiliser pour refroidir les conducteurs d'arrivée et de départ du courant électrique à la bobine, cet hélium se vaporisant et se réchauffant à la température ambiante et étant ensuite recom- primé avec l'hélium du circuit. Le cas échéant, il peut aussi être avantageux de mettre en 35 oeuvre le procédé de façon à vaporiser complètement le deuxième courant partiel par échange de chaleur avec les autres éléments de l'appareil utilisateur. Dans ce cas, une partie de cette vapeur d'hélium utilisée pour refroidir les conducteurs d'arrivée.et de départ de la bobine est réchauffée à la température ambiante 69 43969 -4- 2026570 puis est recomprimée avec le reste de l'hélium du circuit. Il existe bien entendu d'autres possibilités de réalisation du dispositif de refroidissement et des variantes de réalisation des conducteurs électriques d'arrivée et de départ de la bobine. 5 Parmi les éléments reliés à l'appareil utilisateur, il faut comprendre en premier lieu les dispositifs de support de la bobine sur au moins un socle, ainsi que les robinets et conduites, par exemple celles de branchement d'appareils de mesure et autres, disposés sur le trajet de l'hélium à proximité de l'élec-10 tro-aimant. Les dispositifs, des serpentins par exemple, de refroidissement à l'hélium de ces éléments sont isolés thermique- ment de l'extérieur, de même que les bobines, par une enveloppe —fi sous un vide de, par exemple, 10 torr. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven-15 tion ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. La figure unique de ce dessin représente schématiquement •une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, 20 seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention étant représentés. L'hélium sortant d'ion compresseur 1 à trois étages à une pression surcritique de par exemple 20 bars et dont la chaleur de compression est évacuée dans un refroidisseur 2 est envoyé 25 dans un échangeur de chaleur 3 où il se refroidit en passant à contre-courant par rapport à un gaz.plus froid, ainsi qu'on l'expliquera plus loin de manière plus détaillée. Puis ce gaz se détend dans une turbine 4 en fournissant un travail et, en passant dans des échangeurs de chaleur 5 et 6 à contre-courant par rap-30 port à un gaz plus froid, il est encore refroidi à une température inférieure à sa température d'inversion.Il est encore refroidi dans un échangeur de chaleur 7? puis il est séparé en deux courants partiels. Un premier courant partiel est^ëtranglé/Lans un robinet détendeur 8, réchauffé dans les échangeurs 7 ^ 6 à contre-35 courant par rapport à l'hélium non étranglé, et "détendu avec.abandon d'énergie dans une turbine 9 à une pression qui est environ celle d'entrée du compresseur 1, puis il est réuni au gaz recyclé dans le circuit réfrigérant avant 1'entrée de ce dernier dans 1'échangeur 6. 69 43969 -5- 2026570 Les turbines 4 et 9 sont destinées essentiellement à refroidir le gaz comprimé de la température ambiante à une température inférieure à la température d'inversion,et à compenser les pertes thermodynamiques dans les échangeurs 3, 5, 6 et 7-5 Le second courant partiel est destiné à refroidir directe ment les bobines de 1'électro-aimant et les éléments associés à celles-ci et devant être refroidis, ainsi qu'on l'expliquera plus en détail ci-dessous. Ce courant partiel esVétrangl^dans un détendeur 10 à une , 10 pression surcritique. Dans cet exemple de réalisation, cette pression est assez élevée pour que, lorsque le gaz a passé dans les bobines de 1'électro-aimant en subissant une perte de charge considérable, il ait encore à la sortie une pression surcritique, c'est-à-dire qu'il ne puisse pas se liquéfier dans ces bobines. 15 Après avoir passé dans le détendeur 10, ce gaz est refroidi dans les échangeurs 11 et 12, en passant à contre-courant par rapport à un gaz froid, à la température désirée à l'entrée des bobines, par exemple de 4,5°K- Dans l'exemple de réalisation, deux bobines identiques 13 20 et 14 sont montées en parallèle dans le circuit de réfrigération. Ces bobines sont des conducteurs creux, en cuivre par exemple, dans lesquels des fils de Nb-Ti sont noyés. Selon 1!électro-aimant, celui-ci peut bien entendu comporter une seule bobine, ou plus de deux. creux 25 Le courant d'hélium passe donc dans ces deux conducteurs/13 et 14 dans lesquels il doit maintenir les éléments des bobines-à l'état supraconducteur à une température inférieure à celle de leur transition, si bien que les conducteurs normaux de ces bobines agissent comme des isolateurs électriques. Ainsi qu'on l'a 30 déjà expliqué plus haut, l'hélium est fortement .étranglé dans ces bobines.Son fort débit massique par unité de section permet des bien coefficients de transmission de chaleur qui sont/meilleurs que ceux obtenus pair l'hélium liquide qui se vaporise partiellement en passant dans les bobines. 35' L'hélium gazeux qui sort de ces bobines esi/étranglé à une pression sous-critique dans des détendeurs 15 et 16 équipés de dispositifs de réglage 15a et 16a de réalisation connue, en formant un mélange de vapeur et de liquide. Le réglage de la pression influe sur la pression de l'hélium à l'entrée des bobines et 69 43969 -6- 2026570 règle par conséquent en même temps son débit dans ces bobines. Le mélange de vapeur et de liquide est utilisé pour refroidir des éléments non représentés à l'aide de dispositifs figurés schématiquement sous la forme de serpentins 17 et 18. Ces éléments 5 sont essentiellement des dispositifs de support des bobines qui peuvent avoir un poids considérable. Ces dispositifs sont par exemple montés sur un socle qui est à la température ambiante et il faut donc les refroidir, afin de les empêcher d'apporter de la chaleur aux bobines par conduction ou rayonnement thermique. Par 10 ailleurs, ces éléments comprennent aussi les dispositifs de refroidissement des détendeurs 15" et 16 ainsi que des conduits de raccord montés dans la partie froide de l'installation et reliés à des instruments de mesure non représentés, qui sont eux-mêmes placés dans une ambiance à température supérieure. 15 Le dessin représente schématiquement une enceinte sous vide 19 assurant l'isolation thermique et" entourant les bobines 13, 14, les détendeurs 15 et 16 et les dispositifs 15a et 16a de réglage de la pression ainsi que les serpentins 17 et 18. La partie liquide de l'hélium qui passe dans ces serpentins 20 17» 18 se vaporise en grande partie par échange de chaleur avec les éléments à refroidir. Ce mélange passe dans 1'échangeur 12, dans lequel une autre partie de la fraction liquide se vaporise en absorbant la chaleur de l'hélium gazeux étranglé* puis il est dirigé sur un séparateur de liquide 20. La fraction encore liqui-25 de de l'hélium y est séparée dans un filtre 20a. La fraction vapeur revient par les échangeurs 11, 7» 6, 5r et 3 à l'entrée du compresseur en absorbant la chaleur de l'hélium passant à contre-courant et en se réchauffant sensiblement jusqu'à la température ambiante. 30 L'hélium liquide sortant du séparateur est dirigé dans une enveloppe tubulaire 22 qui entoure les conducteurs électriques 21 a et 21b d'arrivée et de départ et qui est disposée dans une autre enveloppe tubulaire 23 sous vide. Dans l'exemple de réali-, sation représenté, cette dernière enveloppe communique directe-35 ment avec l'enceinte 19• L'hélium envoyé dans l'enveloppe 22 est destiné à refroidi^ les conducteurs d'arrivée et de départ et à les porter de la température ambiante à la température de service des bobines de 1'électro-aimant, et il se vaporise et se réchauffe pour atteindre sensiblement la température ambiante. Une 69 43969 -7- 2026570 conduite 24 ramène cette vapeur d'hélium à l'admission du compresseur. Le séparateur 20 comporte un filtre 20a de séparation du liquide ainsi qu'un dispositif de chauffage 20b qui est relié à 5 un dispositif 20c de réglage du niveau, de conception usuelle. Le rôle de ce dernier dispositif est le suivant : Si par exemple la quantité de froid fournie temporairement à l'appareil utilisateur est plus faible qu'en fonctionnement normal, la fraction d'hélium liquide envoyé dans les serpentins augmente, de sorte . 10 que le niveau du liquide s'élève. Dans ce cas, le dispositif de chauffage 20b est mis automatiquement en service et vaporise une quantité suffisante de cet hélium liquide pour que celui-ci revienne au niveau désiré. Afin de bien faire comprendre le fonctionnement de 1'installé lation, on indique ci-dessous la manière dont on la remplit et dont on refroidit 1'électro-aimant à la mise en service. On remarque que l'installation n'a à être remplie d'hélium qu'une seule fois et que pendant les périodes où elle n'est pas en service, c'est-à-dire où 1'électro-aimant est hors service, la charge to-20 taie d'hélium reste en place, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de transférer cet hélium dans un gazomètre, même pendant ces intervalles. Il suffit par conséquent de ne purifier ce gaz que pendant la période de remplissage. Pour cette opération, de l'hélium provenant par exemple 25 d'une bouteille 25 de gaz comprimé est envoyé dans une enceinte tampon 26 après que sa pression a été ramenée par -un détendeur 27 à la valeur voulue, et, à partir de cette enceinte, on remplit l'installation d'hélium à la température ambiante et sous une pression de, par exemple, 10 bars environ. A cet effet, on 30 ouvre les robinets 28, 29 et 30, Jusqu'à ce moment, le compresseur 1 et les turbines 4 et 9 ne sont pas encore en service. Commence alors la période de refroidissement, qui se divise en plusieurs étapes. Une fois que l'installation a été remplie d'hélium, on fer-35 me le détendeur 27 et on met en marche le compresseur 1 et les turbines 4 et 9« L'électro-aimant est amené en plusieurs.étapes à sa température de service de, par exemple, 4,5°K. Dans une première étape, l'hélium gazeux est comprimé dans le compresseur 1 ; de là, il traverse le refroidisseur 2 et 1'échangeur 3 et une 69 43969 -8- 2026570 partie passe dans la turbine 4, où elle se détend en fournissant un travail. Puis ce gaz est envoyé dans les échangeurs 5 et 6 et, le robinet 31 étant ouvert, dans un dispositif d'adsorption 32 qui contient par exemple du charbon activé et où il est débarras-5 sé de ses impuretés. De là, il passe par le robinet 33 et la turbine 9 et, le robinet 34 étant fermé et le robinet 35 ouvert, il revient à l'admission du compresseur 1 par une conduite de dérivation 36. L'autre partie du gaz comprimé passe, le robinet 29 étant ouvert, dans la conduite 37, dans les bobines 13» 14 et 10 dans les serpentins 17, 18 et de là, les robinets 38 et 39 étant fermés, il revient à l'entrée du compresseur 1 par une conduite de dérivation 40 et un robinet 41 ouvert. Dès que 1'électro-aimant a été porté sensiblement à une température de service correspondant par exemple à 90°K. à l'entrée de la turbine 4, la deu-15 xième étape de refroidissement commence. Le gaz est envoyé du compresseur 1 dans le refroidisseur 2 et l'échangeur 3- Par le robinet 29, ouvert, une partie de ce gaz passe par la conduite 37 dans les bobines 13, 14, puis dans les serpentins 17, 18 et revient par les échangeurs de chaleur 12, 11, 7 et, les robinets 20 38 et 35 étant ouverts et les robinets 39 et 41 fermés, il passe dans l1échangeur 3. L'autre partie de ce gaz est détendue dans la turbine 4, passe dans les échangeurs 5 et 6 et, les robinets 31 et 33 étant ouverts, il passe dans le dispositif d'adsorption 32 et dans la turbine 9, y est détendu et rejoint en 42 le gaz 25 qui revient de l'électro-aimant. Pais on ferme les robinets 29 et 35, le robinet 33 reste ouvert et l'on ouvre également les robinets 34 et 39, si bien que les bobines 13, 14 et les serpentins 17j 18 sont également parcourus par le gaz froid. Cette étape du procédé dure jusqu'à ce que la température à l'entrée de la tur-30 bine 9 a été abaissée sensiblement à une température de service de, pair exemple, 15°K. Dans une troisième étape, les robinets 31, 33 et 34 sont fermés, de sorte que le trajet du gaz correspond à celui du fonctionnement normal, et ce gaz est refroidi jusqu'à ce que la tem-35 pérature à l'entrée des bobines de 1'électro-aimant corresponde à la valeur de service désirée de, par exemple, 4,5°K^ A ce moment, l'installation commence à fonctionner normalement. On peut contrôler la température de l'hélium à son entrée dans les conducteurs creux 13 et 14 au moyen d'instruments de mesure non re-40 présentés. 69 43969 -9- 2026570 On mentionnera encore que, dès que le compresseur 1 a été mis en marche, on ferme le robinet 28 et on ouvre le robinet 4-3, si bien que le tampon 26 communique avec le côté - - haute pression de ce compresseur. Pendant le refroidissement, le 5 robinet 4-3 est fermé et du gaz continue constamment à alimenter le circuit par le robinet 28. En effet, en service normal, l'enceinte 26 communique avec l'entrée du compresseur par ce robinet 28 qui est ouvert. L'installation est hermétique et dès qu'elle a été remplie, 10 on peut couper sa communication avec la bouteille 25. qui contient de l'hélium sous une pression de, par exemple, 200 bars. Il faut également ne débarrasser l'hélium de ses impuretés dans un dispositif d'adsorption qu'après avoir rempli l'installation. Lorsqu' on interrompt le fonctionnement de cette dernière, l'hélium qu'el-15 le contient se réchauffe à la température ambiante à laquelle il est à une pression d'environ-10 bars. Les robinets 30 et 4-5 sont des organes obturateurs, que l'on ferme par exemple lorsqu'il faut démonter les éléments refroidis-seurs associés à 11 électro-aimant, en les séparant du reste de 20 l'installation de réfrigération. Si, pendant ce temps., cette- installation-doit rester froide, l'hélium passe par une conduite de dérivation 4-4-a et un robinet 4-4- ouvert. Il va .de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que 25 l'on pourra y apporter toutes variantes sans sortir de son cadre. 69 43969 -io- 2026570 BEVEWDICATIOÏÏS. 1. Procédé de refroidissement d'un appareil utilisateur formé d'un électro-aimant à bobines supraconductrices partiellement stabilisées au moyen d'un courant d'hélium circulant.dans 5 un circuit réfrigérant, caractérisé en ce que 1'hélium dudit circuit réfrigérant est comprimé puis refroidi au-dessous de sa température d'inversion et séparé én deux courants partiels dont l'un est étranglé,réchauffé par échange de chaleur avec de l'hélium non étranglé du circuit,détendu en produisant de l'énergie puis 10 ré-uni à de l'hélium du circuit sous pression correspondante, tandis que le second courant partiel est porté par étranglement à une pression supérieure à la pression critique et refroidi par échange de chaleur avec de l'hélium, froid du circuit, puis circule sans condensation ni vaporisation dans au moins une bobine de 15 1 ' électro-aimant constituée en conducteur creux et dans laquelle&l est étranglé - ce conducteur creux étant un conducteur à conductibilité électrique normale enrobant des éléments supraconducteurs -, puis ce deuxième courant partiel est encore étranglé -de manière à former un mélange de vapeur et de liquide qui est vapo-20 risé au moins en grande partie en absorbant la chaleur d'autres éléments associés à l'appareil utilisateur, ce courant partiel étant finalement réchauffé par échange de chaleur avec de l'hélium qui circule dans le circuit réfrigérant et étant recomprimé. 2. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé par le fait 25 que le deuxième courant partiel es^trangl^à une pression restant sureritique avant son entrée dans la bobine de 1'électro-aimant et sort de cette bobine à l'état gazeux. 3. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième courant partiel sort de la bobine de l'électro- 30 aimant sous la forme d'un liquide sur-refroidi. 4.- Procédé selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque le circuit réfrigérant est rempli d'hélium gazeux, les impuretés de ce dernier sont -éliminées par des éléments d'adsorption disposés dans ce circuit même.