Brevet FR2568350A1 — publié le 19860131

"COL POUR RESERW0IR DE LIQUIDE CRYQGENIQUE, ET RESERNDIR CQMPOR2SNT UN TEL COL" La présente invention est relative aux réservoirs pour liquides cryogéniques, et notamment aux réservoirs destinés à contenir de l'hélium liquide. Elle concerne plus précisément un col pour réservoir de liquide cryogénique du type comprenant un tube, une bague entourant ce tube en étroit contact thermique avec lui, et un écran fixé à la bague. Les réservoirs d'hélium liquide doivent être très efficacement protégés contre les entrées de chaleur, du fait de la très basse tempEra- ture de ce corps (4,2 K à la pression atmosphérique), pour limiter au mEuuum2n les pertes par évaporation. Pour cela, il est de pratique courante d'entourer l'enveloppe contenant le liquide de plusieurs écrans thermiques réfrigérés entre lesquels sont disposées des couches d'isolant thermique à hautes performances. On prévoit habituellement, an outre, un apport complémentaire de froid à partir d'une chemise d' azote liquide ou, en variante, d'un appareil de réfrigération disposé dans le col de remplissage du réservoir. Pour récupérer les frigories contenues dans les évaporations, il ' est connu de fixer chaque écran au col du réservoir par l'intermédiaire d'une bague ayant une épaisseur relativement importante, ceci afin d' augmenter la surface d' échange thermique entre les évaporations et les écrans. Cependant, cette mesure est insuffisante dans de nombreux cas, en particulier lorsque le diamètre du col est petit et/ou lorsque le col est court. En effet, si d désigne ce diamètre et 1 l'épaisseur totale des bagues, 1 est au plus égal à la longueur du col, de sorte que la surface d'échange thermique maximale est égale à x d x 1. On a proposé de bobiner un tube de dégazage de faible section sur les écrans afin d'obtenir une surface d'échange thermique plus importante. Toutefois, ceci conduit à une construction complexe et coûteuse du réservoir ainsi qu'à une perte de charge élevée dans le circuit de dégazage. L'invention a pour but de permettre d'obtenir de façon simple et économique une surface d'échange thermique notablement augmentée entre les évaporations et les écrans, au moyen d'une solution compatible à la fois avec la présence d'une chemise d'azote liquide et avec celle d'un appareil de réfrigération disposé dans le col. A cet effet, l'invention a pour objet un col pour réservoir de liquide cryogénique du type précité, caractérisé en ce qu'il ccmprend un disque d'échange de chaleur pourvu de lumières de passage des évaporations du liquide, disposé dans le tube en étroit contact thermique avec lui et situé en regard de ladite bague. De préférence, les lumières sont constituées par un grand notre de fentes radiales définissant entre elles des ailettes radiales. Le disque peut etre pressé élastiquement contre une deuxième bague fixée dans le tube en regard de ladite première bague, auquel cas le col peut etre facilement libéré pour accéder à 1' intérieur du réservoir. En variante, si le démontage n'est pas nécessaire, le disque peut être fixé direcment sur la face intérieure du tube. Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un col de réservoir conforme à 1 'invention - la figure 2 est une vue partielle en plan du disque d'échange thermique de ce col - la figure 3 est une vue partielle en plan d'une variante de disque d' échange thermique - la figure 4 est une vue prise en coppe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 ; et - la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale d'une variante du col de réservoir conforme à l'invention. Le col représente partiellement à la figure 1 fait partie d'un réservoir destiné à contenir de L'hélium liquide, et plus particulièrement d'un cryostat permettant de maintenir un objet, par exqble une bobine magnétique supraconductrice, à la terpErature de l'hélium liquide. Une application particulière d'un tel cryostat est un appareil d'explora- tion du corps humain par la technique de résonance magnétique nucléaire (RMN) . Ce col est délimité par un tube métallique 1 en acier inwda- ble de très faible épaisseur, d'axe X-X supposé vertical, qui s'étend entre une bride supérieure amovible équipée d'une soupape de dégazage et l'entrée de l'enveloppe contenant l'hélium liquide. Ces éléments, classiques, n' ont pas été représentés. L'enveloppe contenant l'hélium liquide est protégée des entrées de chaleur par plusieurs écrans réfrigérés 2 en tôle mince de cuivre ou d'aluminium, dont l'un a été représenté à la figure 1. Ces écrans peuvent être réfrigérés par divers moyens, et en particulier par récupération des frigories des évaporations d'hélium. Pour cela, le col comporte, au niveau de chaque écran 2, le dispositif suivant. L ' écran 2 présente une ouverture 3 traversée par le tube 1 avec un large jeu, et est raccordé à ce tube par llintermEdiaire d'une bague annulaire composite 4. Cette bague est constituée d'un anneau plat 5 fixe sur le pourtour de l'ouverture 3, et d'un anneau 6 à section en quart de cercle ; ce dernier est fixé par sa tranche d' extrémité intérieure cylindrique sur la face extérieure du tube 1, et par sa tranche d' extrémité extérieure plane sur la périphérie intérieure de la face supérieure de l'anneau 5. Par ailleurs, une seconde bague annulaire 7, à section coudée, est disposée dans le tube 1. Sa tranche d ' extrémite extérieure cylindrique est fixée sur la face intérieure de ce tube. L'angle supérieur de la section de la bague 7 est abattu de manière à former un chanfrein 8a. Les bagues 4 et 7 sont par exemple en cuivre et ont une épaisseur très supérieure à celle de 1 'écran 2 . Toutes les fixations mentionnées ci-dessus sont d'un type assurant un excellent contact thermique. Elles sont de préférence réalisées par soudage ou brasage. Un disque 9 en aluminium, disposé dans le tube 1, est appliqué sur la bague intérieure 7. Ce disque, dont 1 'épaisseur est supérieure à celle des bagues 4 et 7, comprend une région centrale pleine 10 deod partent radialement un grand nombre d'ailettes il délimitant entre elles un grand nombre de fentes radiales 12. I1 est prévu également plusieurs zones périphériques pleines 13, par exemple au nombre de deux, traversées chacune par une ouverture circulaire 14. Ces ouvertures 14 permettent le passage d'accessoires du cryostat, par exemple de câbles électriques destinés au fonctionnement de la bobine supraconductrice précitée et d'une sonde de niveau du liquide. Le coin inférieur du disque 9 est abattu en un chanfrein 8b de rrême inclinaison que le chanfrein 8a de la bague 7, et ces deux surfaces tronconiques conjuguées sont appliquées l'une sur l'autre. Pour maintenir le contact, une tige centrale 15, dont 1' extrémité supérieure est solidaire de la bride supérieure du col, traverse avec jeu un orifice central 16 du disque 9. La partie supérieure de cet orifice est contre alésée, ce qui définit un appui inférieur pour un ressort hélicoïdal de compression 17 dont 1 'extrémité supérieure prend appui sur une rondelle 18 fixée sur la tige 15. Le col comprend également des couches de matériau super-isolant (non représentées) disposées entre les écrans 2, et des éléments de remplissage 19 en matière isolante disposés au-dessus et au-dessous des disques 9 et destinés à arrêter la chaleur rayonnante. Un passage annulaire périphérique 20 subsiste entre ces éléments 19 et le tube 1. En service, les évaporations d'hélium remontent dans le tube 1 en contournant les éléments 19 et en traversant les fentes 12 des disques 9. Du fait de la très grande surface d'rechange thermique existant entre ces disques et les évaporations, une partie importante des frigories de ces dernières est récupérée et passe par conduction solide dans les bagues 7 puis 4 puis dans les écrans 9. Les pertes thermiques du réservoir sont par suite très faibles. On comprend que c'est la raideur du ressort 17 qui détermine la force avec laquelle le disque 9 est pressé sur la bague 7. La surface de contact des chanfreins 8a et 8b résulte par suite d'un compromis entre deux considérations : d'une part, cette surface doit être suffisante pour permettre le passage d'un flux thermique important ; d'autre part, la pression de contact doit être suffisante (et donc la surface de contact suffisamment petite) pour réduire eu maximum la résistance thermique de contact. Pour minImiser cette dernière, il est d'ailleurs possible d' interposer entre les deux chanfreins 8a et 8b une couche assurant un meilleur contact thermique, par exemple de la feuille d'aluminium froissée, de la graisse conductrice ou un ciment conducteur. Dans le mcde de réalisation des figures 1 et 2, les fentes 12 débouchent radialement sur la périphérie du disque 9. Dans la variante des figures 3 et 4, au contraire, elles sont reliées à leur extrémité extérieure par une plage périphérique pleine 21 du disque. On comprend que l'un des écrans 2 du réservoir peut, si on le désire, être également en contact thermique avec une chemise d'azote liquide, pour assurer un apport supplémentaire de frigories. Le mode de réalisation du col représenté à la figure 5 est analogue dans llensemble à celui des figures 1 et 2 (ou à sa variante des figures 3 et 4). I1 n'en diffère que par le fait qu'un appareil de réfrigération 22 est inséré dans le tube 1 afin d'apporter des frigories supplémentaires aux écrans 2. Plus précisément, on a représenté d'une part la partie inférieure du tube 1, laquelle est raccordée à la paroi supérieure 23 de 1 'enveloppe contenant de 1' hélium liquide par 1' intermédiaire d' un anneau coudé 24 analogue aux anneaux 6 de la figure 1, et d'autre part les deux écrans 2 les plus proches de cette enveloppe. Corne on le voit, la tige 15 sert à presser tous les disques 9 contre les bagues 7 correspondantes et porte à son extrémité, sous le disque intérieur, un écrou 25 facilitant le démontage, ceci étant vrai également dans le mode de réalisation de la figure 1. L'appareil de réfrigération 22 cloporte deux étages de réfrigération, 1 'étage inférieur, le plus froid, ayant un diamètre réduit. Chaque étage s'appuie elastiquement sur l'un des deux disques 9 par l'intermédiaire d'un ressort hélicoïdal 26 comprimé entre cet étage (GU une pièce d'appui en matière thermiquement conductrice solidaire de cet étage) et une coupelle d'appui annulaire 27. Cette dernière s'appuie par une face inférieure tronconique 28 sur un chanfrein conjugué 29 prévu à l1entrée d'une ouverture 14 supplémentaire du disque 9, celle du deuxième disque étant traversée par 1' étage inférieur de 1' appareil 22. La transmission de chaleur entre chaque étage de l'appareil 22 et l'écran 2 associé s' effectue par l'intermédiaire du ressort 26, de la coupelle 27, du disque 9 et des bagues 7 et 4, et est améliorée par une liaison thermique supplémentaire assurée par une ou plusieurs tresses de cuivre 30 reliant chaque coupelle 27 à l'étage correspondant de l'appareil 22. En variante, l'une au moins des bagues 4 et/ou des- bagues 7 pourrait être venue de matière avec le tube 1. Par ailleurs , Si le démontage des disques 9 n'est pas nécessaire, ces disques peuvent être directement fixés à la face intérieure du tube 1 ; la tige 15 et les bagues 7 sont alors supprimées. En variante également, on peut remplacer les disques 9 par tout autre type de disques échangeurs de chaleur offrant une grande surface d'échange thermique sans introduire de perte de charge importante. REVENDICATIONS 1. - Col pour réservoir de liquide cryogénique, du type ccmprenant un tube (1), une bague (4) entourant ce tube en étroit contact thermique avec lui, et un écran (2) fixé à la bague, caractérisé en ce qu'il comprend un disque d'échange de chaleur (9) pourvu de lwnibres (12) de passage des évaporations du liquide, disposé dans le tube (1) en étroit contact thermique avec lui et situé en regard de ladite bague (4). 2. - Col suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lumières (12) sont constituées par un grand nature de fentes radiales définissant entre elles des ailettes radiales (11). 3. - Col suivant 1 'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le disque (9) comporte des ouvertures (14) permettant le passage d'accessoires du réservoir. 4. - Col suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le disque (9) est pressé élastiquement contre une deuxie7me bague (7) fixée dans le tube (1) en regard de ladite première bague (4). 5. - Col suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le disque (9) et ladite deuxième bague (7) ccmportent des surfaces tronconiques conjuguées (8a, 8b) en contact mutuel. 6. - Col suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'une couche d'amélioration du contact est interposée entre les deux surfaces tronconiques conjuguées (8a, 8b). 7. - Col suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le disque est fixé directement sur la face intérieure du tube. 8. - Col suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur du tube (1), un appareil de réfrigération (22) dont chaque étage est en contact thermique avec un disque (9). 9. - Col suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chaque étage de l'appareil de réfrigération (22) s'applique élastiquement sur le disque (9) associé par l'interIrddiaire d'un ressort (26). 10. - Réservoir de liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend un col suivant 1' une quelconque des revendications 1 à 9.