Brevet FR2410211A1 — publié le 19790622

L'invention se rapporte aux cryostats à cryogène liquide ou solide et, plus particulièrement, à ceux qui sont destinés à coopérer avec des systèmes optiques dans certaines ex périencg d'astrophysique et de spectroscopie infra-rouge au sol ou embarque (avion ou ballon ou satellite) où l'alignement entre les parties chaudes et froides du système optique est critique. Un cryostat de ce type comporte une cuve contenant le cryogène, munie d'un col sur lequel sont montés des échangeurs thermiques destinés à récupérer l'enthalpie du gaz et sur lesquels sont montés à leur tour des écrans de radiation refroidis par l'échangeur et destinés à limiter lténergie transmise au bain d'hélium par suite du rayonnement extérieur et de la conduction thermique dans le col de la cuve et- dans ses organes de suspension. Cette cuve est, en effet, suspendue à l'intérieur d'une enceinte étanche dans laquelle on fait le vide. Le problème posé par a réa.lisa.tion de ces appareils consiste à obtenir une suspension extrêmement rigide de la cuve parrapport à l'enceinte extérieure , apte à résister. aux accélérations et aux vibrations pour les cryostats embarqués, pour supprimer les difficultés d'alignement, tout en réduisant à une valeur minimale la conduction thermique entre la cuve et l'ex- térieur et en fournissant cependant un ancrage thermique correct des. échangeurs et des écrans. Il importe que la température de chaque écran ait la valeur optimale prévue, pour qu'il limite au mieux les échanges radiatifs.Ce résultat est généralement obtenu en positionnant convenablement les échangeurs, pour.que la récupéra.tion de l'enthalpie du gaz les amène à-la température voulue ? et en établissant une bonne liaison thermique entre les échangeurs et les écrans. Suivant l'invention, ce problème est résolu en utilisant un dispositif de suspension ancré sur les écrans thermiques et/ou les échangeurs d'une part, sur la cuve d'autre part, et constitué d'une matière à faible conductibilité thermique, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une feuille mince convenablement conformée, ancrée drune part entre les portions contigués des écrans thermiques et d'autre part, directement sur le corps de la cuve et l'enceinte extérieure du cryostat, chaque jonction annulaire entre ladite. feuille et les portions contigiSs d'écrans thermiques entre lesquelles elle est interposée comportant un élément conducteur mince solidaire de ladite feuille. Suivant un mode d'exécution préféré, lesdits éléments conducteurs sont réalisés sos la forme d'un circuit imprimé sur les deux faces de ladite feuille. Les avantages ainsi que les caractéristiques de l'invention apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 représente schématiquement un cryostat conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention La figure 2 représente la liaison entre les écrans thermiques et l'ancrage de la suspension que comporte le cryostat La figure 2a représente cet ancrage à plus grande échelle La figure 3 représente la structure d'un matériau utilisé pour la réalisation de cette suspension Les figures 4 et 5 illustrent une première variante d'exécution du cryostat et Les figures 6 et 7 illustrent une seconde variante. A la figure 1, on a représenté un cryostat composé, de façon connue en soi, d'une cuve 1 contenant de l'hélium liquide, suspendue à l'intérieur d'une enceinte étanche 2 dans laquelle on a fait le vide. La cuve 1 comporte un col 3 composé d'un soufflet 4 en a.cier inoxydable sur lequel sont montés par exemple un premier échangeur thermique 5 qui se maintient à une température d'environ 1000 E et un second échangeur 6 qui se maintient à une température d'environ 2000 K. L'enceinte 2 est fermée, à sa partie supérieure, par un couvercle 21 qui se trouve à une température voisine de l'ambiante-, de l'ordre de 3000 E. Chaque échangeur thermique est prolongé par un écran qui comporte une partie horizontale en forme de disque entourant l'échangeur (51 et 61 respectivement) reliée mécaniquement et thermiquement à une partie cylindrique verticale (52 et 62 respectivement). Toutes ces dispositions sont connues. L'invention porte sur la réalisation de la suspension entre l'enceinte 2 et la cuve 1. Il est évident que la liaison entre le col de la cuve et l'enceinte peut déjà jouer le rôle d'une suspension lorsque le col est rigide. Toutefois, si celleci assure une certa.ine tenue axiale de la cuve 1, elle n'est pas suffisante par exemple pour des cryostats embarqués ou fonctionnant à des inclinaisons variables, lorsque, compte tenu des performances recherchées, les problèmes d'alignement mentionnés cidessus sont rigoureux. C'est pourquoi, il a été prévu en outre de relier le corps de la cuve I à l'enveloppe extérieure par une suspension rigide. Dans le cas de la. figure 1, le col ne joue pas le rôle de suspension et celle-ci est constituée par une couronne tronconique 7 ancrée à sa base en 71 sur toute la périphérie du corps de la cuve 1 et, par son bord supérieur inséré entre les portions planes (ou en forme de tronc de cône aplati) 51-61 et les portions cylindriques (52-62) des écrans thermiques. La couronne de suspension pourrait encore être cylindrique ou avoir une génératriee de forme plus complexe, en particulier, présentant un rayon de courbure variable. La jonction annulaire entre les portions contiguës des écrans thermiques et la couronne cylindrique intercalée entre elles apparaît plus clairement à la figure 2, où l'échelle n'a pas été respectée. La couronne tronconique 7 est obtenue en enroulant une feuille mince et en collant, ou en fixant drautre manière, les bords de cette feuille qui se rejoignent suivant une génératrice, avec un léger recouvrement. Sur les deux faces de cette feuille relativement souple, on forme des bandes circu laires de métal conducteur thermique (cuivre par exemple) telles que 72-73, placées au niveau des jonctions à réaliser. En pratique, ces bandes conductrices sont avantageusement formées sur la feuille plane en utilisant les techniques de dépôt sous vide puis de gravure habituellement mises en oeuvre dans la fabrication des circuits imprimés. Toutefois, dans certains cas des techniques utilisant des bandes métalliques non déposées sur la feuille mais solidarisées à celle-ci lors de la construction de la couronne de matière composite, pourraient être utilisées. La feuille de support des bandes conductrices est constituée en une matière propre à lui conférer, une fois enroulée, une bonne résistance mécanique et une mauvaise conduction thermique dans le sens de la hauteur de la couronne.Pour un volume de cuve de quelques litres, on utilisera avantageusement une feuille de matériau composite à fibres de verre ou 'tEevlar" ou autre noyé dans une résine époxy et ayant par exem ple une épaisseur de 50 à 200 Ici., Pour des cuves plus petites, les dimensions de la couronne de liaison seront telles qu'il sera préférable d'utiliser de l'acier inoxydable ou du titane, qui se prêtent mieux au formage avec de faibles rayons de courbure. Bien entendu, toutes choses égales d'ailleurs, la feuille d'acier Pzoxydable devra être de l'ordre de 20 fois plus mince et la feuille de titane 10 fois plus mince qu'une feuille de verre époxy pour obtenir la même conductibilité thermique. Pour des cryostats de grand volume (50 litres par exemple), on sera conduit, pour obtenir la rigidité requise à utiliser des feuilles de composite fibres et époxy ayant une épaisseur beaucoup plus grande, de l'ordre du mm par exemple. Or il faut noter que la couronne 7 participe à la liaison thermique entre les portions d'écran (61 et 62, fig. 2), qui sont par exemple soudées sur les bandes métalliques (72 et 73 respectivement). Lorsqu'elle est suffisamment mince, elle assure, à travers son épaisseur, une conductibilité thermique suffisante. Lorsqu'elle doit être plus épaisse (cryostats de grande dimension), il peut être utile de prévoir des trous métallisés reliant les deux bandes, telles que 72 et 73, à travers l'épaisseur de la feuille. Un tel trou a été représenté en pointillés en 74, figure 2 ; il apparaît plus clairement à la figure 2a. On voit par ailleurs que.le bord supérieur de la couronne 7 est ancré dans une pièce circulaire 22 fixée par des vis 23 au couvercle 21. La figure 3 représente une feuille de verre époxy dont les fibres 75 contournent les trous 76. Il s'agit de trous qui traversent complètement la feuille, sans rompre la continuité des fibres, donc sans nuire considérablement à la tenue mécanique et qui ont pour fonction d'augmenter la résistance thermique dans le sens de la longueur de la feuille. Pour améliorer la tenue mécanique de la couronne 7, il est avantageux de la munir de bagues anti-flambage, telles que 8 et 9, figure 1. Il s'agit d'anneaux, en acier inoxydable ou fibre époxy par exemple, collés sur une paroi de la feuille. Le dispositif de suspension de la figure 1 a permis d'obtenir une suspension beaucoup plus rigide que celles antérieurement réalisées, de réduire la consommation en hélium, d'alléger le cryostat et de réduire son encombrement, et de ren dre facile et rapide le dégazage de l'espace compris entre la cuve et l'enceinte extérieure grâce à des trous prévus dans 7. il doit être bien compris que la forme donnée à la feuille de suspension pourra varier considérablement, ainsi que l'emplacement des jonctions entre ladite feuille et les portions d'écran thermique, sans pour cela s'écarter de l'esprit de l'invention. il peut être envisagé par exemple (figure 4) de compléter la suspension classique du col 3 de la cuve à la partie supérieure du cryostat 1 par une feuille réalisée de la manière décrite ci-dessus, mais conformée en un disque ou une couronne plane 10, assurant la liaison thermique (ancrages. 102., -103) entre des portions de la partie cylindrique (52, 62) des écrans thermiques situées à la base de ladite partie cylindrique.Cette couronne sera alors fixée par sa périphérie (101) à l'enceinte extérieure 2 du cryostat et, en son bord centra.l, reliée (en. 104) au fond (11) de la cuve (1) par un ancrage thermique. La figure 5 montre que les ancrages tels que 103 sont réalisés de la manière décrite ci-dessus, c'est-à-dîre que deux bandes métalliques 105-106 sont formées sur les deux faces respectives de la feuille 10 et que les bords des portions à joindre de l'élément cylindrique 52 sont soudés sur ces bandes. Dans le mode d'exécution illustré par les figures 6 et 7, il est prévu une cuve centrale à hélium à 0,90 K, 110, logée à l'intérieur d'une cuve annulaire 111 contenant de l'hélium à 4,20 K. Ces deux cuves sont fixées entre elles de manière amovible par leurs fonds et leurs parois supérieures et munies chacune d'un col à soufflet 112-113, respectivement, raccordés à des prises de pompage 114-115. Une troisième cuve annulaire 116, contenant de l'a.zote liquide, entoure les cols 112-113 et est elle-même munie d'un col à soufflet 117 relié à une prise de remplissage 118. Ces trois cuves sont montées à l'intérieur d'une enceinte à parois isolantes 2 dont le fond 210 et le couvercle 211 sont amovibles ; ce dernier est munie d'une prise de-Dmpage 212. Deux échangeurs 5 et 6, montés sur le col 113, sont respectivement reliés à des écrans thermiques 51-52 et 61-62. Un premier couple de couronnes tronconiques 77-78 assure la suspension de la- cuve supérieure 116. La couronne 77 est ancrée en 770 au corps de la cuve 116, en 771 à la portion d'écran 51, en 772 à la portion d'écran 61 et en 773 au couver cle 211. La couronne 78 est ancrée en 780 à la cuve annulaire inférieure 11, en 781 à la portion d'écran 52, en 782 à la portion d'écran 62 et en 783 au couvercle 211. Les couronnes 77 et 78 sont reliées entre elles par des crochets en clinquant de cuivre tels que 81-82-83, d'une manière qui sera expliquée en détail dans la suite, en se référant à la figure 7. Un second couple de couronnes tronconiques 79-80 assure la suspension de la cuve annulaire inférieure 111. La couronne 80 est ancrée en 801 au corps de la cuve 111, en 802 à la portion d'écran 52, en 803 à la portion d'écran 62 et en 804 à la base de l'enceinte 2. La couronne 79 est ancrée en 791 à la base de l'enceinte 2 (dont les éléments 791 et 804 sont séparables). On voit que les écrans thermiques 51-52 et 61-62 sont prolongés à leur base par des portions 53 et 63, tandis qu'un écran thermique supplémentaire 511 est ancré en 784 sur la couronne 78, en 805 sur la couronne 80 et en 792 sur la couronne 79. La portion d t écran 53 est ancrée en 797 sur la couronne 79. Entre les couronnes 79 et 80, des crochets tels que 84-85-96 assurent la liaison thermique entre les ancrages des portions d'écran, de même que les crochets 81-82-83 déjà mentionnés. La liaison thermique entre les portions d'écran 61 et 62 a été représentée à plus grande échelle à la figure 7. On voit que le crochet 83 est soudé à une extrémité à la bande métallique que comporte la couronne 77 et s'appuie élastiquement, avec une forte pression, par son autre extrémité, à la bande métallique que comporte la couronne -78. Ceci permet le démontage facile des couronnes 77 et 79 et des cuves. Il convient de faire observer que la feuille métallisée sur ses deux faces, qui constitue les suspensions représentées aux figures, peut également être utilisée pour réaliser les écrans thermiques du cryostat, sous réserve que la métallisation recouvre complètement les surfaces qui doivent être réfléchissantes, soit suffisamment épaisse pour assurer une bonne conduction thermique et soit réalisée en un métal ayant de bonnes caractéristiques de réflexion vis à vis du rayonnement infra-rouge (aluminium ou argent par exemple). R1HDICATIONS. 1. Dispositif de suspension de la cuve d'-un cryostat par rapport à l'enceinte extérieure de celui-ci, constitué en une matière à faible conductibilité thermique et ancré sur ladite enceinte et sur ladite cuve, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une feuille rigide mince continue revêtue en certaines portions de parties métalliques pour permettre la continuité thermique des écrans. 2. Dispositif selon la revendication 1, destiné à la. suspension de la cuve d'un cryosta.t comportant des échangeurs thermiques montés sur le col de la cuve ayant pour but de refroidir des écrans thermiques lesquels comportent deux portions traversées par le dispositif de suspension et raccordées par une liaison thermique, caractérisé en ce que ladite feuille est conformée en une couronne ancrée par sa base au corps. de la cuve et interposée entre- lesdites portions d'écrans thermiques, chaque jonction annulaire entre ladite feuille et les portions contiguës d'écran comportant un élément conducteur mince solidaire de ladite feuille sur chaque face de celle-ci. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite feuille est conformée en une couronne circulaire ancrée, suivant son cercle intérieur, au corps de la cuve et, suivant son cercle extérieur, à l'enceinte extérieure du cryostat, ladite couronne assurant la jonction entre des portions cylindriques contiguës des écrans thermiques du cryostat et comportant, à cet effet, sur ses d-eux faces, des bandes conductrices reliées auxdites portions d'écrans. 4. Dispositif. selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite feuille mince sert partiellement écran thermique, en étant recouverte d'une méta.llisa.tion ayant de bonnes caractéristiques de réflexion du rayonnement infra-rouge. 5. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite feuille est réalisée sous la forme d'un circuit imprimé double face. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite feuille est en matière composite époxy avec des fibres de verre ou de ":g:evlar" et comporte des trous métallisés qui la traversent complètement et sont disposés de manière à ne pas rompre la continuité des fibres de verre. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couronne est munie de bagues anti-flambage. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par au moins un couple de couronnes coaxiales reliées thermiquement entre elles par des crochets conducteurs élastiques soudés à l'une des couronnes et exerçant un contact à pression sur l'autre.