Brevet FR2110427A1 — publié le 19720602

La présente invention concerne un cryostat pour les très basses températures pour recevoir des organes refroidis (corps de refroidissement) qui entourent au moins partiellement un volume à vide très poussé et dont les parois, isolées ther-5 iniquement, sont traversées par des conduites pour réaliser le vide, des conduites pour l'agent de refroidissement et des conduites d'alimentation en énergie, pour le corps à refroidir, la paroi intérieure comportant des moyens d'appui pour fixer le corps de refroidissement. 10 De tels cryostats s'utilisent, par exemple, pour refroidir à très basses températures des aimants cryostatiques ou des supra-conducteurs pour des installations optique ionique dans lesquelles les bobines des aimants sont prévues à la périphérie d'un tube ionique et servent à créer des champs 15 stationnaires ou puisés. Il est connu de réaliser des cryostats sous la forme de cylindres métalliques à plusieurs couches et de prévoir des matériaux isolants entre les couches et/ou de réduire le passage de la chaleur de l'extérieur en réalisant le vide ou 20 en utilisant des agents de refroidissement liquides comme l'azote et l'hélium. L'inconvénient de ces cryostats est que le corps à refroidir doit s'appuyer sur des moyens métalliques qui traversent, au moins partiellement, les couches isolantes, et forment des ponts thermiques. D'autres ponts thermiques sont constitués 25 par le grand nombre de conduites d'agents de refroidissement et les alimentations en courant qui traversent 1'enveloppe du cryostat. Un autre inconvénient du cryostat à organes métalliques est que les champs alternatifs,qui sont créés lors du fonctionnement puisé, entraînent un échauffement inductif 30 des parties métalliques (perte de courant alternatif) et pour évacuer cette chaleur il faut prévoir des moyens auxiliaires considérables pour le refroidissement. On connaît également des cryostats en matière synthétique renforcée par des fibres de verre. Ces cryostats 35 ont la forme de cylindres allongés fermés d'un côté et dont l'extrémité ouverte comporte un couvercle sur lequel prend appui le corps à refroidir. Les conduites d'alimentation en agents de refroidissement et en énergie traversent ce couvercle. Ce mode de réalisation présente l'inconvénient de permettre 40 seulement un montage vertical de longueur limitée. 71 37006 2110427 La. présente invention a pour but de créer un cryostat pour les très basses températures, de construction simple qui permet de monter plusieurs éléments de construction dè même type, l'un derrière l'autre daris'la direction longitu-5 dinale et, d'introduire, en même temps, dans chacun de ces éléments des conduites d'alimentation pour faire le vide, des conduites pour l'agent de refroidissement et conduites pour l'énergie, et d'appuyer le corps à refroidir sans augmenter considérablement la conductibilité thermique à travers la-paroi du récipient, 10 tout en évitant, en même temps, les pertes par courant alternatif. A cet effet, l'invention concerne un cryostat du type indiqué ci-dessus caractérisé en ce que son boîtier est essentiellement constitué de tuyaux non métalliques concentriques l'un par rapport à l'autre, l'intervalle entre les tuyaux vides 15 d'air comportant des matériaux isolants et des fluides de refroidissement, les faces frontales de ces tuyaux étant fermées par des brides non métalliques en forme de disques et ces brides comportent des perçages et des canaux situés essentiellement dans leur plan, pour permettre le passage des agents de refroi-20 dissement, des conduites d'alimentation et d'évacuation, au moi,ns un côté de la bride comportant des rainures annulaires pour recevoir les tuyaux concentriques du boîtier et le corps à refroidir. On obtient une construction particulièrement 25 simple puisque, pour l'élément de construction principal pour le boîtier du cryostat, on utilise des tuyaux à double paroi dont le volume intermédiaire est vide d'air ou est rempli d'un matériau isolant. De tels double-tuyaux présentent une résistance mécanique élevée et peuvent être facilement reliés à des brides 30 nécessaires pour la fermeture.On réalise la bride sous forme d'élément de liaison pour deux cryostats identiques dans leur principe, et on constitue une telle bride avec au moins deux disques reliés l'un à l'autre. Dans la surface supérieure en regard de ces disques on réalise des canaux et/ou des perçages-35 L'un des disques de la bride comporte un perçage se trouvant essentiellement dans le plan du disque et permettant l'introduction d'un agent de refroidissement liquide et au moins l'un des disques de la bride comporte des canaux essentiellement situés à sa périphérie et par lesquels on évacue hors du cryostat l'agent 40 de refroidissement liquide, une fois évaporé et utilisé pour 71 37006 211.0427 le refroidissement par enthalpie. Par un autre canal annulaire situé plus près de la périphérie du disque, on introduit dans le cryostat un autre agent de refroidissement liquide, qui vaporise à une température plus élevée. Il est particulièrement 5 avantageux de réaliser le boîtier tubulaire et la bride en un matériau^essentiellement non métallique, présentant une faible conductibilité thermique. On augmente ainsi non seulement la chute de température,mais on réduit également 11échauffement inductif des matériaux utilisés dans cette structure, dans 10 le cas d'un corps de refroidissement qui crée un champ électromagnétique alternatif. Le cryostat pour les très basses températures selon l'invention permet de façon particulièrement simple de relier plusieurs éléments de construction par les brides. On 15 peut ainsi les monter horizontalement ou verticalement. Les brides peuvent, sans que cela réduise leurs fonctions, comporter des éléments de liaison pour les cryostats ou éléments de raccordement des conduites d'alimentation, avec un perçage central à travers lequel on fait passer un tuyau de rayonnement 20 commun à plusieurs éléments de construction. A l'extrémité libre d'une bride, on relie une pièce d'extrémité constituée par plusieurs couches de matériaux non métalliques et dont au moins un volume intermédiaire est rempli de matière isolante et au moins tin autre volume intermé-25 diaire est traversé par l'agent de refroidissement. Pour relier le cryostat et les brides on utilise avantageusement un ensemble de perçages répartis sur un cercle dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur du cryostat des vis de serrage traversant ainsi la bride. 30 Le montage selon 1'invention est également simplifié du fait que toutes les parties non métalliques d'un cryostat, d'une bride et d'une pièce d'extrémité sont reliées par une colle résistant aux basses températures. Comme matériaux non métalliques on utilise notam 35 ment les matières synthétiques, les matières synthétiques renforcées de fibres de verre ainsi que le verre et la céramique vitrifiée. On réduit ou on supprime la sortie de gaz hors des matières synthétiques, vers la chambre à vide limitée, en recouvrant totalement ou partiellement la surface intérieure 40 de la paroi d'une chambre à vide, par une couche imperméable 71 37006 » 2110427 au gaz ou par une couche de séparation non reliée directement au matériau du boîtier ou au matériau de la structure, et assurant la séparation du vide. Dans ce cas, il peut par exemple être avantageux d'utiliser des corps de forme en verre ou en 5 céramique vitrifiée adaptés à la paroi intérieure de la chambre à vide. Les avantages des cryostats pour les très basses températures selon l'invention résident notamment dans le fait qu'ils sont constitués d'éléments de fabrication simple (doubles-tuyaux, brides, pièces d'extrémité), qu'on réalise des éléments de 10 construction compacte qui sont essentiellement identiques et peuvent être combinés de façon quelconque, les axes étant alignés ou suivant un tracé polygonal, horizontal ou encore vertical. On répartit les conduites à vide, les conduites 15 d'agent de refroidissement et celles de l'alimentation en énergie sur toute la longueur du cryostat (régulièrement) sans qu'il soit nécessaire de traverser les doubleg-tuyaux de la paroi du boîtier. Ainsi ( du fait de la construction simple, on réduit les frais de fabrication et de fonctionnement. Un 20 autre avantage réside dans le fait qu'en utilisant des matériaux y non métalliques on exclut 1'échauffement inductif du matériau de la structure. Ainsi, on diminue considérablement les moyens à mettre en oeuvre pour le refroidissement. En outre, les corps de refroidissement peuvent 25 être maintenus de façon simple à leurs deux extrémités, par la bride. Par la subdivision du montage en éléments de construction plus courts, en particulier dans le cas de corps de refroidissement allongés, on obtient^par le grand nombre de brides et de conduites d'alimentation et d'évacuation prévues 30 dans ces brides, une répartition plus avantageuse de l'agent de refroidissement et une évacuation plus régulière de l'agent de refroidissement vaporisé. Ce dernier point est important lorsqu'un conducteur passe de la supraconductibilité à l'état normal et que de grandes quantités de gaz sont engendrées 35 brusquement. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un mode de réalisation d'un cryostat pour un montage horizontal, représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels ; 40 - La figure 1 est une coupe longitudinale d'un 71 37006 s 2110427 cryostat avec une bride et un organe d'extrémité. - La figure 2 représente le disque formant une bride et les conduites. Le boîtier du cryostat 1 représenté à la 5 figure 1 est constitué du double-tuyau 2 muni d'une isolation très poussée 3 et du double-tuyau 4 dont le volume intérieur 5 est vide. Les surfaces 6 du double-tuyau 4 qui limitent le volume 5 sont revêtues d'une feuille de matière synthétique métallisée qui évite la sortie de gaz de la matière synthétique 10 constituant le double-tuyau. Il est également possible d'utiliser à cet effet un cojrps creux en céramique vitrifiée recouvrant les surfaces 6 et introduit dans le double tuyau. Le volume compris entre les doubles-tuyaux 2 et 4 est refroidi par de l'azote liquide 7- Au-dessus du liquide se forme une atmosphère 15 d'azote 8. Les double s-tuyaux comportent une face frontale 9 fermée. Ils peuvent également être tout d'abord ouverts puis fermés par un anneau 10. Ces doubles-tuyaux sont fixés dans les rainures annulaires 11 et 12 de la bride 13 • La face frontale comporte un joint d'étanchéité 14 20 dans la rainure 12 et des joints d'étanchéité 15 et l6 contre les flancs de la rainure 11. La rainure est suffisamment profonde pour absorber les dilatations thermiques du double-tuyau 4. Les brides sont reliées aux doubles-tuyaux par des vis de serrage 17 qui sont prévues à l'extérieur du double-tuyau 2. 25 Le corps à refroidir^qui est essentiellement constitué d'un support d'enroulement l8 creux et d'une bobine 19,est entouré d'hélium liquide 20 et au-dessus de ce liquide on a une atmosphère d'hélium 21. Le volume d'hélium est séparé de la bride par une chambre à vide 22 reliée à la bride 13 et au support d'en-30 roulement 18, dans le cas où cette bride se trouve à l'extrémité d'un montage selon l'invention et nécessite de ce fait un volume isolant supplémentaire. Le support d'enroulement l8 est emmanché dans une rainure annulaire 23 de la bride 13, comme le double-tuyau , 35 et comporte un joint d'étanchéité 24 sur le flanc de la rainure. La bride 13 est constituée de trois disques 24, 25 et 26 collés 1' un à l'autre. Le disque central 25 comporte un perçage 27 pour l'introduction de l'hélium liquide. Ce perçage est relié par le perçage 28 du disque 26 à la partie 40 inférieure du volume 20 contenant l'hélium liquide. Dans la 71 37006 6 2110427 surface supérieure du disque 25 on a en outre prévu un canal annulaire 29 pour l'évacuation de l'hélium gazeux. Ce canal est relié par une fente 30 passant par le disque 26 à l'atmosphère d'hélium. L'hélium gazeux quitte le montage par un canal 5 annulaire 31 tangent à la partie inférieure au canal annulaire 29 et par le perçage 32. A la périphérie du disque 25 on a prévu un autre canal annulaire 33 dans lequel on introduit de 1 'azote liquide par deux perçages 34. Cet azote liquide arrive dans le volume compris entre les deux doubles-tuyaux 2 et 4 en 10 passant par un perçage 35» L'atmosphère d'azote 8 est reliée par deux perçages 36 prévus dans le disque 26 aux perçages 34 pour l'évacuation de l'azote gazeux. La pièce d'extrémité 37 représentée à la figure 1 est essentiellement constituée d'un moyeu 38 muni des trois 15 disques 39, 40 et 4l reliés à des tuyaux 42, 43 et 44. Ces tuyaux sont logés dans des rainures annulaires 45, 46 et 47 du disque 24 de la bride 13• Les chambres 48 et 49 ainsi définies sont remplies d'azote liquide ou d'isolant très poussé 3• La chambre 50 est vide de gaz et est reliée par le 20 perçage 51 traversant la bride 13 à la chambre à vide 22. La ^ chambre 49 est reliée au volume d'azote par les perçages 35 et 36 traversant la bride 13» Le disque 39 est relié à la bride 13 par des vis 52 se trouvant à l'extérieur du volume isolé. Un tuyau de rayonnement 53 passe par le perçage du 25 moyeu 38. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de 30 l'invention. 71 37006 2110427 REVENDICATIONS 1°) Cryostat pour les très basses températures pour des corps à refroidir à très basses températures,comme par exemple des bobines d'aimants qui entourent au moins 5 partiellement un volume à vide très poussé, les parois du cryostat étant essentiellement constituées de tuyaux coaxiaux et étant traversées par des conduites d'alimentation pour effectuer le vide entourant le corps de refroidissement, des conduites pour des agents de refroidissement et des conduites pour l'énergie. 10 et le corps de refroidissement étant fixé par des moyens d'appui reliés à la paroi du cryostat, cryostat caractérisé en ce que son boîtier est essentiellement constitué de tuyaux non métalliques concentriques l'un par rapport à l'autre, l'intervalle entre les tuyaux vides d'air comportant des matériaux isolants 15 et des fluides de refroidissement, les faces frontales de ces. tuyaux étant fermées par des brides non métalliques en forme de disques et ces brides comportent des perçages et des canaux situés essentiellement dans leur plan, pour permettre le passage des agents de refroidissement, des conduites d'alimentation et 20 d'évacuation, au moins un côté de la bride comportant des rainures annulaires pour recevoir les tuyaux concentriques du boîtier et le corps à refroidir. 2°) Cryostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments constitutifs de son boîtier sont des 25 tuyaux à double paroi. 3°) Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la bride est réalisée sous forme d'élément de liaison destiné à chaque fois deux cryostats identiques dans leur principe et est constituée d'au 30 moins deux disques reliés l'un à l'autre, et en ce que dans les jsurfaces supérieures en regard sont prévus des canaux et des perçages. 4°) Cryostat selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un disque d'une bride comporte un perçage dirigé essentiellement dans le plan du disque, pour assurer le remplissage 35 d'un agent de refroidissement liquide,et en ce qu'au moins l'un des disques de la bride comporte des canaux usinés essentiellement aziinutaux, pour l'évacuation d'un agent de refroidissement liquide après vaporisation , un canal annulaire passant au voisinage de la périphérie des disques,et des perçages étant 40 prévus pour l'introduction d'un autre agent de refroidissement 71 37006 2110427 liquide se vaporisant à une température plus élevée. 5°) Cryostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs cryostats sont reliés l'un à l'autre par des brides et sont montés horizontalement ou 5 verticalement. 6°) Cryostat selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tuyau de rayonnement traverse au moins un cryostat et au moins la bride qui le ferme et le relie à d'autres cryostats. 10 7°) Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'à l'extrémité libre d'une bride est prévue une pièce d'extrémité à plusieurs couches, en un matériau non métallique,■au moins l'un des volumes intermédiaires étant rempli d'un matériau isolant et au moins 15 un autre volume intermédiaire étant traversé par un agent de refroidissement. 8°) Cryostat selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour relier un cryostat avec les brides munies de perçages répartis suivant 20 un cercle et dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur du cryostat, on a prévu des vis de serrage traversant la bride. 9°) Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les diverses parties non métalliques du cryostat, de la bride et de la pièce d'extré-25 mité sont reliées par une colle résistant aux très basses températures. 10°) Cryostat selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que tous les éléments sont essentiellement constitués de matériaux non métalliques 30 choisis dans le groupe constitué par les matières synthétiques, les matières synthétiques renforcées de fibres de verre, le verre et la céramique vitrifiée. 11°) Cryostat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure de la paroi d'un récipient 35 à vide est au moins recouverte partiellement d'une couche imperméable au gaz ou d'une couche de séparation imperméable au gaz mais non directement reliée au boîtier ou au matériau de la structure• 12°) Cryostat selon 1'une quelconque des reven-40 dications 1 à 11, caractérisé en ce que la paroi intérieure du 71 37006 2110427 récipient à vide comporte des corps de forme, imperméables au gaz, de dimensions adéquates, réalisés en un corps choisi dans un groupe formé par le verre et la céramique vitrifiée.