Brevet FR2156437A1 — publié le 19730601

L'ir.vention concerne un accumulateur de chaleur comportat une masse de remplissage d'éléments d'accumulation de chaleur globuleux logés dans un boîtier. Les accumulateurs de ce gerre sont cornus et sont utili ss entre autres dans les machines frigertIiques à gaz froid et dans d'autres dispositifs cryogènes. Un tel accumulateur est traversé alternativement dans un sens par un fluide comprimé cédant sa chaleur à la masse de remplissage et dans l'autre sens par un fluide détendu qui absorbe la chaleur de la masse de remplissage. L'utilisation d'éléments d'accumulation de chaleur globuleux offre l'avantage d'un accumulateur relativement simple et peu coûteux, alors que la conduction thermique se produisant dans le sens de circulation de l'accumulateur est faible, le contact entre les éléments globuleux n'étant que ponctuel. Dans le dispositif cryogène décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 )-.218.815, la masse de remplissage de l'accumulateur est constituée par des globules métalliques massifs, par exemple en plomb ou en bronze. De tels globules ne présentent pas une chaleur spéci- fique suffisamment élevée aux très basses températures, c est à-dire qu'à ces basses températures, il est impossible d'accumuler par cycle, dans la masse de remplissage, suffisamment de chaleur à céder par la suite. Les accumulateurs connus ne permettent donc pas d'atteir.dre des températures extrêmement basses. La présente invention concerne un accumulateur de chaleur fonctinnant convenablement aux températures extrtmemert basses. L'accumulateur conforme à l'invention est caractérisé en ce que les éléments d ' accumulation de chaleur Sont constitués par des globules creux de carbone, dnt les parnis sont perméables au gaz et dont les cavités sont remplies d'hélium. La chaleur spécifique de l'hélium augmente lorsque la température décroît, ceci à l'opposé des chaleurs spécifiques des matériaux normalement adoptés pour la réalisation d'accumulateurs, tels que le plomb, le cuivre et l'or, qui décroissent lorsque la température baisse. Si, à une température de 60K, la chaleur spécifique du cuivre est négligeable et celle du plomb est d'environ 0,09 J/cm3 K, pour l'hélium, elle est d'environ O, 165 J/cm) K, la pression étant de 4 atmosphères. Or, il s'est avéré possible d'introduire d'une façon simple, notamment par diffusion à travers la paroi des globu les creux de carbone, de l'hélium dans les cavités desdits globules et de garder le gaz dans lesdites cavités. On peut obtenir ainsi un accumulateur peu coûteux, dont la capacité thermique, mesurée à une température inférieure à 10 K, est supérieure à celle des accumulateurs connus jusqu'à présent, comportant comme masse de remplissage des éléments d'accumulation de chaleur globuleux. L'utilisation de globules de carbone permet à l'accumulateur de garder la simplicité de construction inhérente à l'utilisation de globules. Du fait que les globules creux de carbone n'ont entre eux qu'un contact ponctuel, la conduction thermique se produi sant dans le sens de circulation de l'accumulateur est faible. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'accumula teur conforme à l t invention, les globules creux de carbone pré sentent un diamètre extérieur égal au moins à 5 p et au maximum a 150 ji Ainsi, on obtient un accumulateur présentant des proprié tés avantageuses en ce qui concerne la capacité thermique, la transmission de la chaleur et la résistance à la circulation aux températures extrêmement basses. Une autre forme de réalisation avantageuse de l'accumulateur conforme à l'invention est caractérisée en ce que l'épaisseur de la paroi des globules creux de carbone est égale au moins à 1 et au maximum à 2 # . Lnrsque la paroi a une telle épaisseur, la résistance mécenique des globules de carbone suffit pour l'application desdits globules comme masse de remplissage de l'accumulateur. Lorsqu'un accumulateur comportant comme masse de remplissage des globules creux de carbone remplis d'hélium et présentant des parois perméables au gaz se trouve dans une machine frigorifique dans laquelle un fluide actif, tel que de l'hélium, parcourt un cycle thermodynamique fermé, tout en traversant alternativement la masse de remplissage, il se produit une transmission de chaleur par l'intermédiaire desdites parois des globules de carbone entre le fluide actif et l'hélium con tenu dans les globules ; la chaleur est alternativement accumulée dans les globules et restituée par ces derniers. L'hélium est non seulement accumulé dans les cavités des globules, mais encore légèrement absorbé par la paroi des globules, ce qui augmente la capacité thermique de l'accumulateur. L'invention concerne en outre un procédé permettant de réaliser la masse d'accumulation du dispositif selon l'invention. Ce procédé est caractérisé en ce que plusieurs globules creux de carbone comportant des parois perméables au gaz sont simultanément mis sous vide et ensuite exposés à une atmosphère d'hélium, de façon que de l'hélium gazeux diffuse à travers lesdites parois dans les cavités des globules ou il est maintenu après quoi les globules sont logés dans un boîtier. Une forme de réalisation avantageuse du procédé conforme à l'invention est caractérisée en ce que les globules creux de carbone sont chauffés lors de leur mise sous vide. Il en résulte une augmentation de la vitesse de la mise sous vide. Dans une autre forme de réalisation avantageuse du procédé conforme à l'invention, l'hélium est maintenu sous pression pendant la diffusion. La vitesse de diffusion augmente avec la pression de l'hélium. La description ci-après, en se référant au dessin annexé, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente respectivement les variations des chaleurs spécifiques par unité de volume du plomb, de l'or, du cuivre et d'hélium (pression 4 atmosphères), pour une température comprise entre O et 400K. La figure 2 montre une partie d'une coupe d'un accumulateur de chaleur, dont la masse de remplissage est constituée par des globules creux de carbone remplis d'hélium et présentant des parois perméables au gaz. Comme il ressort de la figure 1 , dans laquelle P C est représenté en fonction de T ( F = densité, C = chaleur spécifique, T = température) , les chaleurs spécifiques du plomb, de l'or et du cuivre diminuent fortement lorsque la température baisse. Près de 60K - température importante en pratique - les chaleurs spécifiques de l'or et du cuivre sont pratiquement égales à zéro, alors que la chaleur spécifique du plomb est d'environ 0,08 J/cm) K. Inversement la chaleur spécifique de l'hélium croît lorsque la température décroît. A une température de 60K, la chaleur spécifique de l'hélium est d'environ 0,165 J/cm) K sous une pression de 4 atmosphères, c'est-à-dire sensiblement égale au double de celle du plomb. On profite de cette propriété avantageuse de l'hélium, notamment du fait que ce gaz présente une chaleur spécifique élevée aux températures très basses, pour obtenir un accumulateur spécialement destiné aux basses températures; dans cet accumulateur de l'hélium est accumulé par diffusion dans des globules creux de carbone mis sous vide et présentant des parois perméables au gaz, globules qui constituent la masse de remplissage de 1 accumulateur. Aux très basses températures, un tel accumulateur présente une capacité thermique suffisamment élevée. La figure 2 montre une partie d'un boîtier 1 d'un accumulateur, dans lequel sont logés des globules de carbone 2. Les deux extrémités du boîtier de l'accumulateur sont fermées par des plaques de fermeture 3, dont une seule a été représentée sur le dessin. Les plaques de fermeture comportent des ouvertures non représentées sur le dessin permettant l'admission et l'évacua- tion, du fluide traversant l'accumulateur. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Accumulateur de chaleur comportant une masse de remplissage constituée par des éléments d'accumulation de cha leur sous forme de globules, logée dans un boîtier, cet accumulateur étant caractérisé en ce que les éléments d'accumula tion de chaleur sont constituées par des globules creux de carbone, dont les parois sont perméables au gaz et dont les cavités sont remplies d'hélium. 2.- Accumulateur selon la revendication 1, caractérisé e ce que les globules creux de carbone présentent un diamètre extérieur égal au moins à 5 p et au maximum à 150 F 5.- Accumulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'd?aisseur de la paroi des globules creux de carbone est égale au moins à i p et au maximum à 2 p 4.- Procédé permettant de réaliser un accumulateur selon l'une des revendications i, 2 ou 5, caractérisé en ce que plu sieurs globules creux de carbone comportant des parois perméables au gaz sont simultanément mis sous vide et ensuite exposés à une atmosphère d'hélium de façon que l'hélium gazeux diffuse à travers les parois des globules dans les cavités de ces derniers et soit maintenu, après quoi les globules sont logés dans un bottier. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les globules creux de carbone sont chauffés pendant la mise sous vide. 6.- Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, carac térisé en ce que l'hélium gazeux est mis sous pression pendant la diffusion.