Brevet FR2524666A1 — publié le 19831007

L'alimentation à niveau constant d'un réser- voir contenant un liquide quelconque susceptible de s'écouler ou de s'évaporer nécessite d'effectuer les différentes opérations de détection du niveau, d'inter- prétation du signal recueilli puis, à partir de là, d'action sur le débit d'entrée du liquide dans le ré- servoir. Quand le liquide est de l'hélium dont la tem- pérature d'ébullition, fonction de la pression de va- peur, peut évoluer dans la gamme de 1 à 5 degrés abso- lus, une des conditions essentielles à satisfaire est de limiter autant que possible les entrées de chaleur sur le bain à contrôler. Les moyens généralement utilisés pour la me- sure du niveau d'hélium sont, soit les sondes capaciti- ves ou les sondes supraconductrices qui donnent une me- sure continue, soit les sondes ponctuelles à résistance qui donnent un signal par "tout ou rien". Le signal, en général électrique, est re- cueilli et traité par des moyens électroniques opérant à température ambiante o ils actionnent la commande électrique ou pneumatique d'une vanne de régulation dont l'élément actif froid (siège et pointeau) commande le débit d'alimentation nécessaire. Dans le cas particulier o l'hélium considéré est à l'état suprafluide, à une température inférieure à Ir 2,170 K, des propriétés très particulières appa- raissent qui peuvent être utilement mises à profit pour permettre, soit la détection d'une interface liquide- gaz, soit le contrôle de sa position Ces propriétés âtrès curieuses sont liées à l'existence d'un isomère de l'hélium, l'hélium II, qui n'apparaît qu'au-dessous de TX et qui est cause, en particulier, de l'absence d'un point triple de l'hélium dont les courbes de tension de vapeur et de fusion ne se rencontrent pas. Parmi les propriétés utilisables qui n'apparaissent que dans la phase liquide suprafluide de l'hélium, figurent l'effet de pression Fontaine et le phénomène dit du film de Roll-in dont on rappelle ci- dessous succinctement les particularités essentielles pour faciliter la conpréhension du dispositif objet de la présente invention. I L'effet de Pression Fontaine: Sur la figure 1 qui représente l'état connu de la technique, les réservoirs A et B contenant de l'hélium suprafluide sont reliés par l'intermédiaire d'une "suprafuiten S Une telle suprafuite, générale- ment réalisée en comprimant dans un tube un matériau pulvérulent de faible granulométrie, a la propriété de présenter une porosité telle qu'un fluide classique comme l'hélium normal soit pratiquement incapable de circuler alors que la phase suprafluide de l'hélium, dont la viscosité apparente est nulle, peut s'écouler librement. Dans ces conditions, un apport de chaleur Q sur le réservoir A tel que la température TI soit main- tenue à une valeur supérieure à celle T 2 de l'autre réservoir B, fait apparaître une différence de niveau Ah qui traduit en fait l'existence d'une différence entre les pressions Pl et P 2 au fond de chaque réser- voir: T 1 > T 2 4 P 1 > 2 Si la température est inférieure à TX = 2,170 K, l'écart de pression que l'on peut espérer 3.0 atteindre dans le cas idéal s'écrit: AP = J Tl' 23 T 5 '6 d Tpour 1,31 KT 4 Tx Cet effet porte couramment le nom d'effet Fontaine. Pratiquement avec des écarts de température, de quelques dixièmes de degré, des pressions de quel- ques centaines de torrs peuvent aisément être obtenues. A titre indicatif, on peut noter que pour les mêmes écarts de température la différence de pression de va- peur saturante n'est que de quelques torrs. II Le film de Rollin. L'hélium liquide à l'état suprafluide, con- servant une tension superficielle non nulle alors que sa viscosité est nulle, est capable de mouiller les parois des réservoirs de façon parfaite en montant éventuellement sur une paroi isotherme. Le débit capable d'être transporté par ce film est, en première approximation, proportionnel au périmètre mouillé avec, comme ordre de grandeur, vers T = 1,80 K, des valeurs de débit d'environ 5 10-5 cm 3/s/cm. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de régulation automatique du niveau d'hélium à l'état suprafluide dans un réservoir, qui fait appel aux propriétés particulières connues et rap- pelées ci-dessus de l'hélium suprafluide, c'est-à-dire à l'effet de pression Fontaine et à l'effet de film dit de Rollin. Ce dispositif de régulation automatique se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte dans le réservoir au dessus du liquide: une canalisation d'alimentation du réservoir en hé- lium suprafluide; un corps de prélèvement d'hélium suprafluide par pro- duction spontanée sur sa surface d'un film dit de Rollin, situé sensiblement au niveau horizontal auquel on désire réguler la surface libre de l'hélium dans le réservoir et dont le périmètre de prélève- ment, variable en fonction de l'altitude, augmente sur une hauteur égale à la tolérance d'évolution du niveau depuis sa base jusqu'à une valeur maximale à son point de jonction supérieur avec une suprafuite qui lui est associée et que traverse ensuite l'hélium suprafluide ainsi prélevé; une chambre chauffée dans laquelle débouche la supra- fuite et qui communique, d'une part avec un orifice d'échappement à débit contrôlé vers l'atmosphère du réservoir et, d'autre part, avec une chambre à parois déformables souples et à volume, variable, lesdites parois provoquant, lors de leur extension ou de leur rétraction, le déplacement d'une tige dont la posi- tion est ainsi caractéristique du niveau de l'hélium dans le réservoir; des moyens pour asservir l'arrivée d'hélium dans la canalisation d'alimentation du réservoir à la posi- tion de la tige. Selon l'invention, le prélèvement d'hélium liquide à l'état suprafluide dans son réservoir a lieu à la surface de séparation liquide gaz par un corps de prélèvement partiellement immergé dans le liquide et le long duquel se constitue un film de Rollin Le fait que, conformément à l'invention, la surface de prélève- ment de ce corps soit variable en fonction de l'altitu- de, permet d'obtenir un prélèvement d'autant plus im- portant que le niveau de séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse est plus élevé. La suprafuite qui fait suite à ce corps de prélèvement permet, en utilisant les calories apportées par une résistance chauffante dans la chambre associée, de créer une surpression dans cette chambre par effet Fontaine et c'est celle-ci que l'on utilise pour gon- fler en quelque sorte une chambre à parois déformables et élastiques et obtenir le déplacement d'une tige liée auxdites parois Ce déplacement représente, analogi- quement, les variations d'altitude de la surface d'hé- lium suprafluide. L'asservissement du débit d'arrivée d'hélium liquide suprafluide dans la canalisation d'alimenta- tion du réservoir à la position de cette tige, peut être obtenu par tout moyen classique connu; selon une caractéristique originale de l'invention toutefois, la canalisation d'alimentation du réservoir comporte une vanne d'admission dont la tige précédente constitue di- rectement le pointeau De cette façon, le pointeau ayant des déplacements qui représentent exactement ceux de la surface de séparation hélium liquide-hélium gazeux que l'on veut précisément réguler, il suffit de régler cette vanne pour que sa fermeture ait lieu lors- que le niveau d'hélium suprafluide dans le réservoir atteint l'altitude de régulation souhaitée. Le chauffage de la chambre dans laquelle dé- bouche la suprafuite, peut être obtenu par tout moyen connu et notamment être réalisé à l'aide d'une simple résistance électrique Tout autre procédé de chauffage, par rayonnement ou conduction thermique à partir de zones à température plus élevée est également utilisa- ble ainsi par exemple qu'un échange de chaleur avec l'hélium pénétrant dans la canalisation d'alimentation du réservoir La seule condition à respecter est de fournir à cette chambre une quantité de calories suffi- sante pour que la pression Fontaine engendrée par la différence de température entre le réservoir et la chambre soit suffisante pour assurer le gonflement de la chambre à parois déformables et le déplacement de la tige réglant l'admission. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise en se référant à la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, donné à titre illustratif et non limitatif, en se référant à la figure 2 qui repré- sente en coupe schématique un réservoir contenant de l'hélium suprafluide. 6 2524666 Sur cette figure 2, on a représenté le réser- voir 1 qui contient de l'hélium liquide suprafluide 2 dont la surface de séparation 3 avec la phase gazeuse supérieure doit être maintenue automatiquement entre certaines limites, définies 4 et 5 Le réservoir 1 est bien entendu mis en communication par la conduite 6 avec les moyens de pompage adaptés à l'obtention des pressions et températures désirées Une canalisation d'alimentation 7, débouche dans la cheminée 6 du réser- voir 1 d'abord sous la forme d'un serpentin permettant l'échange de calories avec les vapeurs froides qui s'échappent du réservoir selon le trajet de la flèche 8, puis cette canalisation descend jusqu'au voisinage de la surface 3 en passant par une vanne d'admission 9. L'alimentation du réservoir se fait par la canalisation 7 à l'aide de fluide qui peut être soit de l'hélium liquide, soit de l'hélium gazeux à des pres- sions et températures telles qu'après détente dans la vanne 9, l'hélium soit transformé en sa variété supra- fluide. Selon l'invention, un corps de prélèvement d'hélium suprafluide 10 est prévu entre le niveau 4 et et possède une surface de prélèvement variable depuis la valeur nulle au niveau 4 jusqu'à la valeur maximale au niveau 5. Le corps de prélèvement 10 de section varia- ble peut être réalisé de différentes façons, et l'on peut citer, par exemple, des tubes évasés, des plaques, des fils, ou des tiges frittés L'essentiel est que le périmètre en contact avec l'hélium suprafluide 2 soit variable en augmentant régulièrement depuis le niveau 4 jusqu'au niveau 5 Dès que le niveau 4 est atteint par la surface 3 de l'hélium suprafluide, un film de Rollin se crée qui monte le long du corps de prélèvement 10. Le débit de l'hélium ainsi prélevé augmente progressi- vement quand le niveau du liquide 3 s'élève pour at- teindre sa valeur maximale lorsque le niveau 5 est lui- même atteint par la surface 3 de séparation. Conformément à l'invention, le corps de pré- lèvement 10 est associé à une suprafuite 11 constituée d'une canalisation dans laquelle on a placé un matériau pulvérulent de faible granulométrie. Cette suprafuite 11 débouche à son tour dans une chambre 12 chauffée, ce qui est symbolisé sur la figure 2 par la présence d'une résistance électrique 13 située dans cette chambre, étant bien entendu, comme déjà expliqué précédemment, que tout autre moyen de chauffage équivalent peut être aussi bien utilisé sans que l'on sorte pour autant du cadre de la présente in- vention Cette chambre 12 communique avec un orifice d'échappement à débit contrôlé 14 et, par le conduit , avec une chambre à parois déformables souples, élastiques et à volume variable 16 dont les parois en forme de soufflets peuvent se déplacer en translation le long d'un noyau de guidage vertical 17 L'extrémité des parois déformables de la chambre 16, en forme de soufflets, est reliée à la tige métallique 18 qui cons- titue, dans l'exemple de la figure 2, le pointeau de la vanne 9. Le fonctionnement du dispositif de la figure 2 est le suivant. Le débit d'hélium suprafluide prélevé par le corps de prélèvement 10 traverse la suprafuite 11 et pénètre dans la chambre 12 o l'effet Fontaine dû au chauffage par la résistance 13 développe une pression, communiquée à la chambre 16 laquelle en se dilatant provoque le déplacement de la tige métallique 18. L'orifice d'échappement 14 dont la taille est réglée à une valeur déterminée garantit l'existence d'une pres- sion gazeuse maximale dans la chambre 12 Lorsque le niveau 3 de l'hélium suprafluide descend en dessous du niveau 4, il n'y a plus d'hélium prélevé, ni d'hélium sous pression dans la chambre 12, l'orifice d'échappe- ment 14 permettant de décharger totalement la pression qui pouvait régner dans les chambres 12 et 16, la tige 18 se rétracte au maximum en montant vers le haut du réservoir 1, libérant ainsi l'ouverture de la vanne 9, ce qui permet l'introduction d'une nouvelle quantité d'hélium et la montée du niveau 3. Autrement dit, la tige 18 et le niveau 3 se déplacent verticalement à tout instant en sens inverse. Lorsqu'au contraire c'est le niveau 3 qui atteint le niveau 5, la quantité d'hélium suprafluide prélevé dans le système est maximale et par conséquent également la pression dans les chambres 12 et 16; ceci provoque un abaissement également maximal de la tige 18 qui ferme la vanne 9 provoquant ainsi l'arrêt de l'ad- mission de l'hélium. L'apport de chaleur Q figuré en 13 dans la chambre 12 peut être obtenu par différents moyens tels que chauffage électrique, rayonnement thermique ou con- duction solide depuis des zones à température plus éle- vée Il peut aussi être réalisé par échange de chaleur avec le fluide pénétrant en 7 et alimentant la vanne 9 pourvu que ce fluide soit à une température convenable. Les vapeurs froides 8 s'échappant du réser- voir 1 peuvent ou non échanger de la chaleur avec le fluide d'alimentation introduit en 7. Enfin, au lieu d'utiliser directement le pointeau 18 pour régler le débit de liquide entrant, on peut se contenter de mesurer son déplacement par un moyen quelconque et d'interpréter le signal recueilli pour en faire par exemple une sonde de mesure de ni- veau. 9 2524666 REVENDICATIONS 1 Disposiitf de régulation automatique du niveau voir ( 1), caractérisé en ce qu'il comporte, dans le réservoir, au-dessus du liquide: une canalisation d'alimentation ( 7) du réservoir ( 1) en hélium suprafluide; un corps de prélèvement ( 10) d'hélium suprafluide par production spontanée sur sa surface d'un film dit de Rollin, situé sensiblement au niveau horizontal au- quel on désire réguler la surface libre de l'hélium dans le réservoir ( 1) et dont le périmètre de prélè- vement, variable en fonction de l'altitude, augmente sur une hauteur égale à la tolérance d'évolution du niveau ( 4, 5) depuis sa base jusqu'à une valeur maxi- male à son point de jonction supérieur avec une su- prafuite ( 11) qui lui est associée et que traverse ensuite l'hélium suprafluide ainsi prélevé; une chambre chauffée ( 12) dans laquelle débouche la suprafuite ( 11) et qui communique, d'une part avec un orifice d'échappement à débit contrôlé ( 14) vers l'atmosphère du réservoir ( 1) et, d'autre part, avec une chambre ( 16) à parois déformables souples, élas- tiques et à volume variable, lesdites parois provo- quant, lors de leur extension ou de leur rétraction, le déplacement d'une tige ( 18) dont la position est ainsi caractéristique du niveau de l'hélium dans le réservoir; des moyens ( 9) pour asservir l'arrivée d'hélium dans la canalisation d'alimentation ( 7) du réservoir à la position de la tige ( 18). 2 Dispositif de régulation selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la tige métallique ( 18) constitue le pointeau d'une vanne d'admission ( 9) si- tuée sur la canalisation ( 7) d'alimentation du réser- voir ( 1). 3 Dispositif de régulation selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2 précédentes, caracté- risé en ce que le chauffage de la chambre ( 12) dans laquelle débouche la suprafuite ( 11) est réglé à un niveau tel que la pression Fontaine engendrée soit suf- fisante pour assurer la translation de la tige ( 18).