Brevet FR2560421A1 — publié le 19850830

Dispositif de refroidissement de bobinages supracon ducteurs. La présente invention est relative à un dispositif de refroidissement de bobinages supraconducs teurs appliqué à un cyclotron à orientation variable pour neutronothérapie, ou radiothérapie du cancer par action de faisceaux de feutrons. On rappelle qu'un cyclotron est un appareil destiné, en utilisant un champ électrique oscillant de fréquence constante, à accélérer des particules char- gées électriquement, mises en présence d'un champ magnétique constant, à forte intensité, créé par des enroulements notamment supraconducteurs alimentés par des amenées de courant électrique, et à les projeter sur des cibles, notamment une cible neutronique afin de provoquer les réactions désirées, Les enroulements supraconducteurs nécessitant pour fonctionner de très basses températures (de l'ordre de 4K), sont refroidis par l'hélium liquide utilisé soit en bains soit en circulation continue.Dans tous les cas, 11 isolation thermique doit etre très poussée pour réduire les entrées de chaleur ; les récipients cryogéniques, ou cryostats, assurent cette double fonction d'isolation thermique et de stockage du fluide cryogénique. Il est connu, pour refroidir des enroulements supraconducteurs de cyclotrons fixes, d1utili- ser un cryostat du type Dewar, c1est-à-dire du type comportant un récipient cryogénique alimenté en fluide cryogénique, et isolé thermiquement par au moins un écran métallique, lui-meme généralement refroidi par un fluide cryogénique, et une enceinte à vide ; le récipient cryogénique contient au moins un bobinage supraconducteur, lequel baigne au moins- partiellement dans le fluide cryogénique contenu dans le récipient. Selon l'art antérieur, le bobinage supraconducteur est relié à un générateur électrique par deux amenées de courant, disposées verticalement au-dessus de la surface libre du liquide cryogénique contenu dans le cryostat. Ces amenées de courant sont de façon généra le refroidies par le liquide et le gaz cryogénique issus du cryostat. L'étude du fonctionnement du schéma classique de cryostat fait apparaître l'existence pour oha- cune des amenées de courant de deux types d'échangeurs à la suite l'un de l'autre. L'un est destiné à refroidir les conducteurs électriques amenant le courant aux bobinages supraconducteurs, dont une partie qui se trouve à température proche de l'ambiante est le siège d'un dégagement de chaleur par effet Joule, transmise par conduction au cryostat ;; on désignera par la suite ce premier type d'échangeur par échangeur à gaz. Ltau- tre, situé entre ledit échangeur à gaz et le cryostat, absorbe, par évaporation de l'hélium liquide contenu dans le cryostat, la puissance calorifique résiduelle transmise par la conduction thermique des conducteurs électriques reliés aux bobinages supraconducteurs ; on désignera par la suite ce second type d'échangeur par échangeur évaporateur. En pratique, l'échangeur à gaz comprend au moins un conducteur électrique refroidi par le gaz cryogénique issu du cryostat. Il est calculé de maniè- re classique de façon à assurer le gradient thermique adéquat entre la température ambiante et la température voisine de l'hélium liquide (environ 5R). L'échangeur évaporateur est réalisé dans les cryostats classiques au niveau de la surface du liquide cryogénique ; en effet, les conducteurs électriques échauffés qui entrent en contact avec le liquide cryogénique provoquent l'évaporation dudit liquide et ainsi dissipent la chaleur arrivant sur les bobinages supraconducteurs pour éviter qu'elle ne soit trop importante et risque de faire transiter lesdits bobinages supraconducteurs de leur état supraconducteur à leur état normal. La réalisation des amenées de courant cidessus décrites et leur disposition verticale au-dessus du liquide cryogénique, rendent peu concevable leur montage sur des cryostats contenus dans des irradiateurs tournants. La présente invention est relative à un nouveau dispositif de refroidissement de bobinages, notamment supraconducteurs, qui pallie les inconvé nients de l'art antérieur en permettant le fonctionnement du cryostat à des orientations variables et notamment la rotation du cryostat. Plus précisément, le dispositif selon la présente invention refroidit au moins un bobinage supraconducteur contenu dans son enceinte cryogénique à hélium liquide, ce bobinage étant animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe houri zontal, en utilisant les amenées de courant classiques dérivées de celles décrites précédemment, et adaptées au mouvement de rotation de l'appareil. A cet effet, le dispositif de refroidissement des bobinages supraconducteurs contenus dans un récipient cryogénique alimenté, notamment en circulation continue, par un liquide cryogénique, et reliés à un générateur électrique par au moins deux amenées de courant comportant chacune un échangeur à gaz et un échangeur évaporateur disposé entre le récipient cryogénique et lesdits échangeurs à gaz, se caractérise par le fait que l'échangeur évaporateur comporte une canalisation contenant les deux phases liquide et gazeuse du fluide cryogénique, dans laquelle sont disposés au moins deux conducteurs de raccordement reliant les amenées de courant aux bobinages supraconducteurs, lesdits conducteurs de raccordement baignant au moins partiellement et sensiblement de la même manière dans la phase liquide du fluide cryogénique de sorte qu'ils s'opposent à l'écoulement dudit fluide dans ledit échangeur-évaporateur. Selon une caractéristique du dispositif de refroidissement objet de l'invention, l'extrémité de la canalisation de l'échangeur-évaporateur en regard de l'extrémité de l'échangeur à gaz contient uniquement la phase gazeuse du fluide cryogénique et comporte un orifice permettant l'échappement du gaz cryogénique contenu dans l'échangeur-évaporateur. Selon une autre caractéristique du dispositif de refroidissement des bobinages supraconducteurs selon l'invention, ladite canalisation de l'échangeur-évaporateur est annulaire et les conducteurs de raccordement qu'elle contient sont disposés en hélices coaxiales sur un noyau isolant. Par ailleurs, comme le dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon l'inventicn est adapté pour être orienté de façon variable autour d'un axe, notamment horizontal, ladite canalisation de l'échangeur-évaporateur, de meme que lesdits échangeurs à gaz, sont disposés de préférence parallèlement à cet axe. De nombreuses autres caractéristiques additionnelles du dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon l'invention apparaîtront également à travers la description qui suit du dispositif en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue de côté en élévation qui situe le dispositif de refroidissement des bobinages supraconducteurs selon l'invention, sur un cyclotron de neutronothérapie, - la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'un cryostat selon l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en coupe verticale d dispositit de refroidisserent de bobinages supra ctndueteurs seCon l'invention, la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation de l'amenée WdoubleB de courant selon l'iwjention Sur la figure 1, on voit le cyclotron 40, orientable par rapport à l'axe de rotation horizontal 8, dans la tete duquel sont disposés les bobinages supraconducteurs 3 qui baignent au moins partiellement dans un fluide cryogénique 2 situé à l'intérieur d'un récipient cryogénique lu On a représenté les amenées de courant 5 issues d'un générateur électrique 4 qui alimentent les bobinages 3 en courant électrique à travers l'échan- geur-évaporateur 7, ainsi qu'une canalisation 14 permettant l'échappement du gaz cryogénique. On a représenté également les amenées du lio quide cryogénique 41 qui alimentent le récipient le Sous la tête du cyclotron on a disposé une table 42 sur laquelle s'allonge le patient à examiner 43. Le faisceau de neutrons est issu d'une cible 44 bombardée par des charges électriques. Ces charges électriques sont obtenues à la sortie d'un jeù-de deux électrodes 45 en demi-lune auxquelles on applique une tension accélératrice alternative de fréquence constante, en présence d'un champ magnétique créé par des bobinages supraconducteurs 3. Le faisceau de feutrons est limité par un collimateur 47 monté sur le cyclotron 40 et arrive sur le patient 43. Le cryostat de la figure 2, d'un type en soi connu, comporte un récipient cryogénique 1 alimenté en circulation continue de fluide cryogénique 2 (il s'agit d'hélium liquide) et isolé thermiquement par au moins un écran 15 métallique et une enceinte à vide 16. Le récipient 1 contient un bobinage supraconducteur 3 qui baigne au moins partiellement dans 11 hélium liquide 2b. Ce bobinage supraconducteur 3 est relié à un générateur électrique 4 par deux amenées de courant Sa, 5b gui sont disposées verticalement au-dessus de la surface libre du liquide cryogénique Zb contenu dans le récipient cryogénique 1.Comme il a été dit plus haut, chacune desdites amenées de courant 5a, 5b comporte deux types d'echangeurs l'un à la suite de l'autre. L'un, l'échangeur 6, désigné par "échangeur à gaz", est destiné à refroidir les conducteurs électriques qui amènent le courant aux bobinages supraconducteurs 3, dont une partie est le siège d'un dégagement de chaleur par effet Joule transmise par conduction au cryostat. L'échangeur à gaz comprend au moins un conducteur électrique refroidi par le gaz cryogénique 2a issu du récipient cryogénique 1. L'autre, l'échangeur 7 désigné par "échangeur évaporateur" dissipe l'apport de chaleur par conduction thermique desdits conducteurs électriques, par évaporation du liquide cryogénique 2b, contenu dans le récipient 1, principalement au niveau de sa surface libre.Le cryostat de la figure 2 ne peut évidemment fonctionner que dans la position verticale représentée. Au contraire, la figure 3 illustre de manière détaillée le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention de refroidissement des bobinages supraconducteurs 3 contenus dans le récipient cryogénique 1, animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal 8. On se préoccupe notamment d'adopter une conception des conducteurs électriques Sa, 5b amenant le courant aux bobinages supraconducteurs 3 qui évite les fuites de liquide dans certaines positions du récipient 1 et continue notamment d'assurer la fonction échangeur-évaporateur de l'art antérieur. Pour que le bobinage 3 soit supraconducteur il est nécessaire de le placer dans un récipient 1 contenant une masse de fluide cryogénique 2 à très basse température, dans laquelle est plongé le bobinage. Généralement, le fluide cryogénique employé est Ilhélium dont la température de liquéfaction avoisine les 4K. Comme on l'a vu dans l'art antérieur, ce re- cipient cryogénique 1, alimenté en circulation continue d'hélium; doit être isolé thermiquement de l'extérieur ; dans ce but, il est entouré d'un ou plusieurs écrans métalliques 15 eux memes refroidis par un quelconque moyen (par exemple refroidissement par fluide cryogénique) et d'une enceinte à vide 16. Ces bobinages supraconducteurs 3 sont reliés à un générateur électrique 4 par deux amenées de courant (5a, 5b) permettant l'aller et le retour du courant électrique. Ces amenées de courant Sa, 5b comportent chacune un échangeur à gaz Sa, 6b et un échangeur évaporateur 7 disposé entre le récipient cryogénique 1 et lesdits échangeurs à gaz 6a, 6b. L'échangeur à gaz 6a, de même que l'échangeur 6b, comprend un tube 10a dans lequel sont placées les tresses de fils métalliques 9 qui amènent le courant aux bobinages 3. Ce tube 10a est parcouru par de l'hélium gazeux 2a prélevé à environ 5K à la sortie de l'échangeur-évaporateur 7 dans le récipient 1 et qui sort de l'échangeur à gaz à la température ambiante (environ 280K). Son rôle on l'a vu plus haut consiste à refroidir les conducteurs électriques 9 dont une partie se trouvant à la température ambiante est le siège d'un dégagement de chaleur par effet Joule transmise par conduction au cryostat. Dans ce mode de réalisation, on conserve la construction traditionnelle simple des échangeurs à gaz puisque ceux-ci sont insensibles à l'orientation de l'écoulement. On sait ainsi que pour que leur fonc- tionnement soit correct, il suffit de respecter quel ques règles de dimensionnement (rapport section/longueur, surface d'échange) et de contrôler le débit de gaz sortant de l'extrémité chaude des échangeurs. Sur la figure 3, on a modifié la conception de l'échangeur évaporateur classique de telle sorte que l'échangeur-évaporateur 7 soit adapté à la rotation autour d'un axe horizontal 8. Ainsi, la puissance calorifique résiduelle causée par la conduction principalement thermique des conducteurs électriques à la sortie des échangeurs à gaz est absorbée par évaporation de l'hélium liquide provenant de l'enceinte cryogénique 1 qui tendrait à traverser sous l'action de la gravité l'échangeur-évaporateur 7 selon l'invention. Une des caractéristiques de l'échangeurévaporateur 7 selon l'invention réside notamment en ce qu'il est commun aux deux amenées de courant Sa, rb. Ainsi, il comprend une canalisation annulaire 11 d'axe horizontal 30 disposée entre le récipient cryogénique 1 et les échangeurs à gaz 6a, 6b. Ladite canalisation 11 contient des conducteurs de raccordement 12 reliés aux bobinages supraconducteurs 3 ; ces conducteurs disposés en hélices coaxiales baignent au moins partiellement et sensiblement de la même manière dans l'hélium liquide 2b, de telle sorte qu'ils s'opposent à l'écoulement dudit liquide à travers l'échangeurévaporateur 7. Dans le mode de réalisation décrit, chacun des deux conducteurs est constitué d'une tresse de fils de cuivre à haute conductivité perméable à l'hélium et qui freine l'écoulement de l'hélium liquide 2b dans l'échangeur-évaporateur 7. Ces deux tresses après isolation électrique et mutuelle sont bobinées ensemble sur un noyau 13, isolant, en verre époxy possédant un coefficient de contraction thermique pas trop différent de celui des métaux voisins. L'échangeur 7 @é en r@e dans la canali err les 11 en acier inoxydable soudée à l'en n@l le contenant le récipient cryogénique 1 dans lequel sont disposés les bobinages supraconductible 3. Pour qu'il s'établisse un régime permanent d'écoulement d'hélium 2, les amenées de courant 5a, 5b au niveau des échangeurs à gas 6a et 6b de l'évaporateur 7, ainsi que l'axe des hélices jointives d'enroulement des conducteurs dans ledit évaporateur sont disposés préférentiellement parallèlement à l'axe de rotation 8 du cryostat. Par ailleurs, pour minimiser la quantité d'hélium 2 à l'intérieur de la canalisation annulaire 11 d'une part, à l'intérieur du récipient cryogénique 1, d'autre part, les dimensions de la canalisation 11 sont peu supérieures à celles des conducteurs 12 qu'elle contient et les dimensions du récipient cryogénique 1 sont peu supérieures à celles des bobinages supraconducteurs 3 qu'elle contient. Sur la figure 3, on observe également à l'extrémité de l'échangeur évaporateur 7 en regard des échangeurs à gaz 6a, 6b, un orifice d'échappement 10 du gaz hélium 2a. A cet endroit, l'hélium est toujours sous phase gazeuse, contrairement au reste de la canalisation annulaire 11 qui contient les deux phases liquide 2b et gazeuse 2a de l'hélium, en effet, l'évaporateur 7 est conçu de façon compacte de sorte que, pour que l'écoulement de l'hélium crée une perte de charge supérieure à la hauteur hydrostatique du liquide, le front d'évaporation doit être contenu tout entier dans l'évaporateur.Le gaz ainsi prélevé au travers de l'orifice 14 atteint une température voisine de 5k; il peut notamment être utilisé pour refroidir les écrans métalliques 15 du cryostat servant à isoler @a figure @ Seinstre @@ acere nade de réalisation des @changeurs à gan.Es effet, dans ce mode on créé un échangeur à gaz @double", c'est-à-dire comportant un Beul conduit tubulaire 21 traversé par les deux échangeurs à gaz classiques du type 6a, 6b, Ainsi, le conduit tubulaire 21 est sépare par une cloison 22 formant de la sorte deux condults à section semicirculaixe 23a, 23b contenant chacun une canallsation à section trapézoidale a, 20b qui enferrent des tresses de fils métalliques 24 amenant le courant électrique aux bobinages supraconducteurs 3 ces conduits 23a, 23b étant parcourus par l'hélium gazeux issu du récipient cryogénique 1 Dans cet exemple de réalisation, cent tresses de cuivre de longueur l275 mm constituent les sonvteurs électriques ; le conduit tubulaire 21 en résine époxy a un diamètre extérieur de 35 ma et une épaisseur de 1,5 mm. De manière avantageuse, on a ainsi-réalisé une amenée de courant "double" permettant de siseli- fier le montage sur le cyclotron. Bien entendu et comme il résulte de ce qui précède, il va de soi que l'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus speciale- ment décrits et représentés, elle en embrasse au contraire toutes les variantes possibles. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs, ces bobinages supraconducteurs (3) étant contenus dans un récipient cryogénique (1) alimenté, notamment en circulation continue, par un liquide cryogénique (2b), et relié à un générateur électrique (4) par au moins deux amenées de courant (5a, 5b) comportant chacune un échangeur à gaz (6a, 6b) et un échangeur-évaporateur (7) disposé entre le récipient cryogénique (1) et lesdits échangeurs à gaz (6a, 6b), caractérisé en ce que l'échangeur-évaporateur (7) comporte une canalisation (11), contenant les deux phases liquide (2b) et gazeuse (2a) du fluide cryogénique (2), dans laquelle sont disposés au moins deux conducteurs de raccordement (12) reliant les amenées de courant (5a, 5b) aux bobinages supraconducteurs (3), lesdits conducteurs de raccordement (12) baignant au moins partiellement et sensiblement de la même manière dans la phase liquide (2b) du fluide cryogénique (2) de sorte qu'ils s'opposent à l'écoulez ment dudit fluide dans ledit échangeur-évaporateur 7. 2. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de la canalisation (11) de l'échangeur-évaporateur (7) en regard de l'extrémité des échangeurs à gaz (6a,6b) contient uniquement la phase gazeuse (2a) du fluide cryogénique (2). 3. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation (11) de l'échangeurévaporateur (7) est annulaire et en ce que les conducteurs de raccordement (12) qu'elle contient sont disposés en hélices coaxiales sur un noyau isolant (13). 4. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1 carac térisé en ce que les conducteurs de raccordement (12) de l'échangeur-évaporateur (7) sont constitués de tresses de fils métalliques, notamment en cuivre, perméables au liquide cryogénique (2b). 5. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce que le noyau 13 de l1échangeur-évapora- teur (7) est en verre époxy dont le coefficient de contraction thermique est voisin de celui des métaux qui l'entourent. 6. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est adapté pour etre orienté de façon variable autour d'un axe notamment horizontal (8) et en ce que ladite canalisation annulaire (11), de meme que les échangeurs à gaz (6a, 6b) sont disposés sensiblement parallèlement à cet axe. 7. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un orifice (14) pratiqué à l'extrémité de la canalisation (11) en regard de celle des échangeurs à gaz (6a, 6b) permet ltéchappement du gaz cryogénique (2a) contenu dans l'évaporateur (7). 8. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'isolation thermique du récipient (1), notamment au moins un écran métallique (15) qui est refroidi par le gaz cryogénique (2a) issu de l'orifice (14). 9. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur à gaz (6a,6b) comprend des fils métalliques tressés (9) compactés dans un tube (10) parcouru par le gaz cryogénique (2a) issu de l1échangeur-évaporateur (7). 10. Dispositif de refroidissement de bobinages supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs à gaz (6a, 6b) cor respondant à chacune des amenées de courant (5a, 5b) sont contenus dans un meme conduit tubulaire (21), le- quel est séparé par au moins une cloison (22) en au moins deux sous-conduits (23a, 23b) contenant chacun une canalisation à section trapézoïdale (20a, 20b) enfermant les conducteurs (24) qui amènent le courant électrique aux bobinages supraconduc teurs (3) et parcourus par le gaz cryogénique (2a) issu de lléchangeur-évaporateur (7).