Brevet FR2533637A1 — publié le 19840330

POMPE CRYOGENIQUE L'invention concerne une pompe cryogénique Une pompe cryogénique typique comprend un réfrigérateur cryogénique produisant la réfrigé- ration en deux étages de température Le premier étage du réfrigérateur cryogénique fonctionne typi- quement dans la plage de 50 à 75 K et sert à refroidir le panneau cryogénique extérieur et les volets à travers l'entrée de la pompe Le second étage du réfrigérateur cryogénique est l'étage le plus froid et fonctionne typiquement dans la plage de 10 à 20 K Ce second étage sert à refroidir le panneau cryogénique intérieur. Dans une pompe cryogénique typique, la vapeur d'eau gèle sur les volets L'azote, l'oxygène et l'argon gèlent sur la surface extérieure d'un substrat en forme de U inversé L'hydrogène, l'hélium et le néon sont adsorbés par une couche de charbon de bois fixée à la surface intérieure du substrat Du charbon de bois ou tout autre matériau d'adsorption cryogénique est utilisé pour absorber l'hydrogène, l'hélium et le néon, car leurs pressions d'équilibre de vapeur sont trop élevées à 200 K pour être cryo-condensées sur le substrat nu Le charbon de bois activé est le matériau d'adsorption cryogénique préféré, car il présente une grande surface d'échange et les gaz se dégagent très facilement du charbon de bois à la température ambiante, pendant la régéné- ration Le matériau d'absorption cryogénique est prévu sur la surface intérieure du substrat en forme de U de manière à être protégé des gaz de l'air qui, dans le cas contraire, recouvriraient la sur- face et rempliraient les pores en les rendant ainsi inutilisables pour le pompage. L'invention a pour but d'appor- ter une solution au problème relatif à la manière d'augmenter le rendement d'absorption cryogénique des molécules d'hydrogène d'hélium et de néon. A cet effet l'invention concerne une pompe cryogénique munie d'un panneau cryogénique intérieur destiné à faire geler les gaz, pompe caractérisée en ce que le panneau cryogénique est constitué par un substrat percé d'un certain nombre de trous de façon que la surface d'ouverture repré- sente 30 % à 70 % de la surface du substrat, par une couche de matériau d'absorption cryoscopique fixée à une surface du substrat, et par un panneau non perforé juxtaposé à une certaine distance de cette surface du substrat. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une illus- tration schématique d'une pompe cryogénique associée à une chambre à vide; la figure 2 est une vue plane de dessus de la pompe cryogénique; la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue en perspective du panneau cryogénique intérieur monté sur le réfrigérateur cryogénique; la figure 6 est un graphique représentant la probabilité de capture en fonction du pourcentage de surface d'ouverture pour un rapport de 1,2 entre le diamètre des trous et leur profondeur. En se référant dans le détail aux dessins dans lesquels les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références, la figure 1 repré- sente une chambre à vide 10 reliée par une soupape non représentée, à l'entrée d'une pompe cryogénique 12 Une pompe primaire 14 est reliée par un conduit de soupape 16 à la pompe cryogénique 12, et par le conduit de soupape 18 à la chambre à vide 10. En se référant aux figures 2 à 4, la pompe cryogénique 12 comporte un carter exté- rieur 20 muni d'un rebord de monture 22 à son extré- mité supérieure Le rebord 22 est destiné à se relier de manière classique à la chambre à vide 10 Dans le carter 20, est monté un réfrigérateur cryogénique 24 comprenant un premier étage 26 et un second étage 28 Le réfrigérateur 24 comporte un orifice 30 destiné à être relié à un compresseuro Le réfrigéra- teur cryogénique est, de préférence, un réfrigérateur de Gifford-McMahon à deux étageso Une grande variété de tels réfrigérateurs sont bien connus et l'on ne s'attardera pas ici à en décrire tous les élémentso La pompe cryogénique 12 est munie d'un panneau cryogénique extérieur 32 à. l'intérieur du carter 20 Ce panneau cryogénique 32 est relié à un ensemble annulaire à chevrons 34 d'o partent des ailettes conductrices 36 Ces ailettes 36 et le panneau cryogénique extérieur 32 sont reliés à un poste de chaleur à l'extrémité supérieure du premier étage 26. L'ensemble annulaire 34 comprend un support annulaire 38 muni de diamètres et de cordes de support de volets 40 en matériau bon conducteur, tel que du cuivre Tous les volets 40 sont plans, sauf le volet central qui présente la forme d'un V inversée U-n panneau cryogénique intérieur 42 est monté sur le poste de chaleur du second étage 28 Comme indiqué plus clairement par la figure 5, le panneau cryogénique intérieur 42 comporte un premier substrat 44 parallèle à un second substrat 46 Les substrats 44 et 46 sont disposés de part et d'autre d'un panneau non perforé 48 Le substrat 44 comporte un rebord 50 et le substrat 46 comporte un rebord 52 Les rebords ,52 sont montés fixes, de n'importe quelle manière convenable, sur l'extrémité supérieure du panneau 48 Les rebords 50, 52 sont, de préférence, fixés à une barre conductrice de la chaleur 49 ou 51 par des rivets 60 Les barres conductrices sont fixées au poste de chaleur à l'extrémité supérieure du second étage 28, et sont en contact thermique avec le panneau 48. Le panneau 48 est, de préfé- rence, réalisé en deux pièces partant radialement vers l'extérieur de deux positions diamè- tralement opposées sur le second étage 28 Les subs- trats 44, 46 et le panneau 48 sont maintenus paral- lèlement à une certaine distance les uns des autres par des entretoises 54, 56 Chacun des substrats 44, 46 est percé d'un certain nombre de trous occu- pant, de préférence, 30 à 70 %/ de la surface de ces substrats La surface du substrat 44 juxtaposée au panneau 48 est recouverte d'un revêtement de matériau d'absorption cryoscopique 53 tel que du charbon de bois activé Une couche identique de matériau d'absorption cryoscopique 55 est appliquée sur la surface du substrat 46 juxtaposée au panneau 48. La figure 6 représente un graphi- que de la probabilité de capture des molécules d'hydrogène, d'hélium et de néon en fonction du pourcentage de surface ouverte Le pourcentage de sur- face ouverte représente le pourcentage de la surface des trous 58 par rapport à la surface de leur subs- trat associé Il est à remarquer que, lorsque le rapport du diamètre des trous à leur profondeur est de 1,2, la partie la plus efficace de la courbe nécessite que le pourcentage de surface ouverte soit compris entre 30 % et 70 % La "profondeur" désigne la distance comprise entre les surfaces juxtaposées du panneau 48 et des substrats 44, 46 Les substrats 44,46 et le panneau non perforé 48 ne doivent pas nécessairement être des éléments plans et plats comme illustré. Ainsi, les substrats 44, 46 peuvent être constitués par un élément en forme de U inversé juxtaposé à un panneau non perforé en forme dé U, plus petit et pla- cé entre les deux précédents De même, les substrats peuvent 4 tre courbes, semi-sphériques o de toute autre forme. Description du fonctionnement. L'environnement ou la chambre à vide 10 peuvent être réalisés par une grande variété de procédés bien connus des spécialistes de la ques- tion dans le domaine de la cryogénie On supposera que le vide a été fait jusqu'à la pression voulue dans la chambre 10 Lorsque cette chambre 10 commu- nique avec l'entrée de la pompe cryogénique 12, la vapeur d'eau gèle lorsqu'elle vient en contact avec les volets 40 L'azote, l'oxygène et l'argon non capturés par les surfaces des substrats 44 et 46, passent par les trous 58 et viennent geler sur le panneau 48 L'hydrogène, l'hélium et le néon passant par les trous 58 rebondissent sur le panneau 48 et sont adsorbés par les couches d'absorption cryogé- nique 53, 55 des substrats respectifs 44, 46 La capacité de la pompe cryogénique pour les gaz de l'air est très grande t La surface des trous 58 est un compromis entre la vitesse de pompage et la capacité de pompage La profondeur entre les surfaces du panneau 48 et les surfaces des substrats 44, 46 est importante, car elle doit ne pas être trop petite par rapport à la taille des trous 58 Le rapport entre le diamètre et la profondeur des trous 58 est de préférence de l'ordre de 1, 2 Cependant, comme indiqué ci-dessus, ce rapport est un compromis qui peut varier suivant les critères de conception. 253367 ? REVENDICATIONS 1 Pompe cryog&nique munie d'un panneau cryogénique intérieur destiné à faire geler les gaz, pompe caractérisée en ce que le panneau cryogénique est constitué par un substrat ( 44 ou 46) percé d'un certain nombre de trous de façon que la surface d'ouverture représente 30 % à 70 % de la surface du substrat, par une couche de matériau d'absorption cryoscopique ( 53 ou 55) fixée à une surface du substrat,9 et par un panneau non perforé ( 48) juxtaposé a une certaine distance de cette surface du substrat. 2 Pompe cryogénique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une paire de substrats ( 44 et 46) disposés de part et d'autre du panneau non perforé ( 48). 3 Pompe cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les substrats sont reliés au second étage ( 28) d'un réfrigérateur cryogénique, le panneau non perforé partant de deux points diamétralement opposes sur le second étage. 4 Pompe cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque substrat est relié par son extrémité supérieure à l'extrémité supérieure du panneau, grâce à une bande bonne conductrice de la chaleur ( 49 ou 51). Pompe cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une entrée munie de volets, un panneau cryogénique exté- rieur destiné à faire geler la vapeur d'eau, et un panneau cryogénique intérieur destiné à faire geler différents gaz, pompe caractérisée en ce que-le - panneau cryogénique intérieur comprend un panneau non perforé ( 48) destiné à faire geler l'azote et l'oxygène, ce panneau cryogénique intérieur comportant un substrat perforé ( 44 ou 46) adjacent au panneau, et une couche de matériau d'absorption cryoscopique ( 53 ou 55) fixée à une surface du substrat juxtaposée au panneau, de manière à adsorber l'hydrogène et l'hélium gazeux. 6 Pompe cryogénique selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un second substrat ( 44 et 46) parallèle au premier substrat, ces substrats étant placés sur les côtés opposés du panneau ( 48) parallèlement à celui-ci. 7 Pompe cryogénique selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que les surfaces d'ouverture des substrats ( 44 et 46) représentent 30 % à 70 % de la surface des substrats. 8 Pompe cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une entrée munie de volets, un panneau cryogénique extérieur relié à l'extrémité supérieure d'un premier étage d'un réfrigérateur destiné à faire geler la vapeur d'eau, et un panneau cryogéni- que intérieur destiné à faire geler différents gaz, pompe caractérisée en ce que le panneau cryogénique- intérieur comporte un panneau non perforé ( 48) destiné à faire geler l'azote et l'oxygène, ce panneau cryogénique intérieur comprenant une paire de substrats ( 44 et 46) adjacents à ce panneau, ces substrats étant placés des deux côtés opposés du panneau, parallèle- ment à celui-ci, une couche de matériau d'absorption cryoscopique ( 53 ou 55) étant fixée à une surface des substrats juxtaposée au panneau, de manière à adsorber l'hydrogène et l'hélium gazeux, et les surface d'ouvertures des substrats représentant % à 70 % de la surface de ces substrats.