Brevet FR2568670A1 — publié le 19860207

1* DisDositif cryoQgéniaue La présente invention se rapporte au domaine de La cryogénie et plus spécialement à des récipients cryogé- niques. D'une façon générale, la structure de tels récipients comporte essentiellement, comme représenté en coupe sur la figure 1: une enveloppe interne isotherme 1, contenant le liquide cryogénique; une enveloppe externe isotherme 2, assurant l'isolement entre l'enceinte interne et l'air ambiant ainsi que le maintien sous vide du cryostat; une troisième enveloppe 3, appelée col, qui relie l'enve7 loppe interne et l'extérieur et permet ainsi le transfert du liquide et te dégagement des vapeurs. Il convient bien évidemment de réaliser des récipients présentant des apports de chaleur sur Le liquide les plus faibles possible afin d'assurer l'autonomie maximale en liquide. La réalisation des enveloppes nécessite donc l'utilisation de matériaux ayant de bonnes caractéristi- ques mécanique, thermique et d'étanchéité à haute et basse températures. Dans ces conditions, l'utilisation de matériaux composites, qui possèdent de faibles conduc- tivités thermiques, est recommandée car ils permettent de réaliser des cols ayant une faible conduction thermique. Cependant, ces matériaux présentent un inconvénient faisant obstacle à Leur utilisation tels quels. Ils montrent en effet une porosité non négligeable, notamment à l'hélium qui est L'un des fluides cryogéniques lesplus courants. Le fluide qui traverse une paroi en matériau composite est régit par la relation: Q = TY e-zt dans laquelle Q est le flux, T la température absolue, t l'épaisseur de la paroi et, y, z des constantes dépendantes du gaz, du matériau de la paroi et de la différence de pression. Cette relation conduit à prévoir des enveloppes épaisses. Si cette solution peut être adoptée pour les enveloppes interne et externe puisque la conduction thermique n'est pas à considérer, Les enveloppes étant isothermes, il n'en est pas de même pour le col o la conduction thermique doit être faible; il faut donc choisir des enveloppes de faibles épaisseurs, donc de porosité finie. La porosité des matériaux composites a plusieurs origines: passage entre les chaînes chimi- ques, porosité de la fibre, mauvais accrochage entre Le vérin et la fibre, présence de porosité ouverte liée aux conditions de polymérisation. Cette porosité se traduit par une entrée de gaz dans l'espace sous vide et l'apparition d'un flux de chaleur entre les parois à températures différentes par conduction dans le gaz. Cela se traduit par une augmentation de la consom- mation du liquide cryogénique, donc une diminution de l'autonomie. Actuellement, le moyen utilisé pour rendre ces matériaux composites étanches consiste à réaliser des sandwiches, matériau composite 4, fibre métallique pulvérisée 5, matériau composite 6, comme représenté sur la figure 2.' Cependant, cette solution est plus délicate à réaliser et plus coûteuse. La présente invention a justement pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif cryogénique dont la tenue sous vide est meilleure malgré la diffusion de vapeurs du fluide cryogénique à travers les parois. SeLon la principale caractéristique du dispositif objet de l'invention, celui-ci, du type comportant un récipient apte à contenir un fluide cryogénique, isolé thermiquement du milieu ambiant, surmonté d'un col sensiblement cylindrique, se caractérise en ce qu'il comporte un matériau apte à absorber les vapeurs du Liquide cryogénique diffusant à travers la paroi.du col, en contact avec la paroi du récipient, et une enveloppe entourant au moins le col définissant un espace entre eLle et le col. En général, La diffusion du gaz se produit dans la partie chaude du col cylindrique surmontant Le récipient contenant le liquide; l'espace situé entre la paroi du col et l'enveloppe qui l'entoure met direc- tement en communication les vapeurs qui ont traversé le col avec le matériau absorbant. Les vapeurs ne diffusent pas dans l'espace situé entre la paroi du récipient et la paroi extérieure du dispositif. Le vide est ainsi maintenu tant que le matériau absorbant conserve son efficacité. Le matériau absorbant peut avantageusement être du charbon actif. En raison des problèmes de rayonnements thermiques, il est avantageux de prévoir un garnissage dans l'espace défini entre la paroi du col et l'enveloppe qui l'entoure. Son rôle est de limiter le rayonnement thermique sans réduire la conductance au gaz. Enfin, l'enveloppe qui entoure la paroi du col du dispositif peut être raccordée, de manière étanche, à une autre enveloppe, placée autour du récipient contenant le liquide cryogénique et qui épouse sensiblement la géométrie du récipient. L'espace situé entre la paroi du récipient et son enveloppe externe est garni de matériau absorbant. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et 2, déjà décrites, sont respective- ment des vues-en coupe d'un cryostat selon l'art anté- rieur et d'un moyen permettant de réaliser l'étanchéité d'un matériau composite, - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un dispositif seLon L'invention. Si l'on se reporte à la figure 3, on VQit que Le dispositif de l'invention se compose, de manière clas- sique, d'un récipient 7 constitué d'une partie inférieure 8 limitée par une paroi 8a que surmonte un col 12, lui- même constitué par une paroi 12a. Le récipient 8 contient une masse 10 d'hélium liquide tandis que la partie supérieure du col 12 est en communication avec l'atmos, phère. Le récipient 8 et le col 12 sont entourés d'une paroi externe 14 et l'espace compris entre cette paroi externe d'une part, Le récipient 8 et le col 12 d'autre part, est garni de couches super-isolantes 16. Le réci- pient 8 et le col 12 sont constitués pardes parois 8a et 12a qui peuvent être traversées par des vapeurs d'hélium; la paroi 8a étant à la température de l'hélium liquide, est considérée comme non poreuse d'après la relation ci-avant. Le col 12 a sa partie basse à la température du récipient 8, tandis que sa partie haute, qui est en contact avec l'atmosphère, se trouve à la température ambiante. C'est donc à la partie supérieure du col que la diffusion de vapeur est la plus importante d'après la relation ci-dessus. Selon l'invention, on absorbe les vapeurs ayant diffusé à travers la paroi 12a du col 12 en disposant, à l'extérieur du récipient 8 et au voisinage immédiat de celui-ci, une couche 18 d'un matériau capable d'absorber les vapeurs d'hélium, par exemple du charbon actif. On voit sur la figure que le charbon actif est placé sur une partie seulement de la surface extérieure du récipient 8, mais on pourrait le mettre autour de la totalité de ce récipient. Une enveloppe 20 entoure ici le récipient 8 définissant un espace 22 dans lequel se trouve le charbon actif 18. Cette enveloppe 20 n'est pas indispensable. Une autre enveloppe 24,indispensable, entoure le coL12 et définit un espace annulaire 26 entre eLle-même et le coL. Les deux espaces 22 et 26 sont en communication l'un avec l'autre afin que le gaz ayant traversé la paroi 12a du col 12, notamment à sa partie supérieure, soit canalisé en direction du charbon actif 18. Les enveloppes 20 et 24, qui servent à canaliser le gaz, peuvent être réalisées par des couches de super- isolant. En raison de phénomènes de rayonnement thermique, il est avantageux de prévoir un garnissage 28 dans l'espace 26, par exemple en grillage super-isolant. Ainsi, le dispositif est maintenu sous vide en permanence puisque le charbon actif 18 absorbe toutes les molécules d'hélium qui traversent la paroi du col 12. Le charbon actif joue donc un rôle de pompe puisque toute molécule de gaz ayant diffusé à travers la paroi 12a reste prisonnière dans les espaces 22 et 26 et finit par être absorbée par la couche 18. Le dispositif objet de l'invention présente des avantages intéressants puisqu'il permet de maintenir plus longtemps sous vide un dispositif cryogénique même cons- titué de parois présentant une certaine porosité plus ou moins épaisse, ce qui évite les difficultés et le coût important de la solution de l'art antérieur consistant à placer une feuille métallique mince en sandwich entre deux parois poreuses. Le charbon actif se sature progressivement avec les vapeurs d'hélium mais sa durée de vie, qui dépend des conditions d'utilisation, peut atteindre une année. REVENDICATIONS 1. Dispositif cryogénique, du type comportant un récipient (8) apte à contenir un fluide cryogénique (10), isolé thermiquement du milieu ambiant, surmonté d'un col (12) sensiblement cylindrique, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau (18) apte à absorber Les vapeurs du Liquide cryogénique diffusant à travers la paroi (12a) du col 12, en contact avec la paroi (8a) du récipient (8), et une enveloppe (24) entourant au moins le col (12) définissant un espace (26) entre elle et le col C12). 2. Dispositif cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (20) délimitant un espace (22), entre ellemême et la face externe de la paroi (8a) du récipient (8). 3. Dispositif cryogénique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace (22) est garni de maté- riau absorbant (18). 4. Dispositif cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un garnissage (28). 5. Dispositif cryogénique selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que le matériau absorbant (18) est du charbon actif.