Brevet FR2586471A1 — publié le 19870227

SEPARATEUR DE PHASES REGLABLE D'HELIUMl II iL'invention se rapporte à un séparateur de phases réglable d'helium II dans lequel, en utiXisant l'action de blocage de l'effet thermo7ecanique, de l'helium II superfluide s'écoule à travers au moins un canal capillaire en forme de fente dont la géonEtrie peut être modifiée à l'aide d'au moins un organe de réglage pour la régulation du débit. Un tel séparateur de phases est connu par la demande de brevet allemand 28 06 829 ainsi que par la communication BMFT-FB W 79./47 I'Phasentrennung von Helium-II im schwerelosen Zustand" de Denner et al., PU Berlin. Ce séparateur de phases comprend une valve dite à fente annulaire dans laquelle un élément cylindrique de la valve présente vis-à- vis de la douille de celle-ci, une fente de passage d'une largeur inférieure à 10um, la longueur de la fente pouvant être modifiée par déplacement axial de l'élément de valve vis-à-vis de la douille. Dans un séparateur de phases de ce type, il faut que les surfaces cylindriques de l'élément de la valve et de la douille soient usinées avec grande précision et soient ajustées coaxialement au moyen d'un guidage spécial; il faut, en outre, que les coefficients de dilatation des matériaux soient mutuellement parfaitement accordés car sinon il y aurait risque de coincement en raison de la faible largeur de la fente. Par ailleurs, une valve suppléementaire ou tout au moins des surfaces d'étanchéité supplémentaires sur l'élément de la valve et sur la douille sont nécessaires pour permettre une fermeture complete. L'objet de l'invention est de mettre au point un séparateur de phases réglable d'helium II dans lequel un réglage du débit jusqu'à la valeur zéro soit possible et qui soit moins compliqué et moins sujet aux défaillances que les séparateurs de phases d'helium II actuels. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait qu'en modifiant la distance séparant deux parois opposées du canal, on peut faire varier la largeur de la fente d'au moins un canal dans une plage comprise entre au moins 0 et 15pm. L'organe de réglage utilisé dans ce cas peut comporter un système d'entraînement à corps solide, en particulier un système d'entraînement piézo-électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comne exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente un diagramme du débit de l'helium II; la figure 2 représente un séparateur de phases avec une fente radiale et un organe de réglage central; la figure 3 représente un séparateur de phases avec une fente radiale et trois organes de réglage répartis sur la périphérie; la figure 4 représente un séparateur de phases d'helium II comportant plusieurs fentes radiales. La figure I représente la relation qualitative existant entre le débit i d'helium II superfluide s 'écoulant dans une fente de largeur s et la chute de pression A p le long de la fente. D'après cette relation, pour le passage de He à travers des fentes étroites, il existe deux zones d'écoulement schématisées par la ligne en tirets, à savoir une zone inférieure, dite "zone idéale" avec montée à faible pente, presque linéaire, de la courbe, et une zone supérieure, dite "zone de GorterMellink" avec montée à pente sensiblement plus forte. Dans la "zone idéales, il ne sort de la fente que de l'helium encore gazeux. Dans la "zone de Gorter-Mïellink", il sort un mélange d'helium gazeux et d'helium liquide. Conformément à l'invention décrite ci-après, avec le séparateur de phases, on modifie la largeur s de la fente, de telle sorte qu'un réglage très exact du débit soit possible dans la "zone idéale". Le débit 1 de l'helium II dans la zone idéale est de: s5 S T rn=b 1b 12 s3 ST; X formule dans laquelle: b = largeur de la fente transversalement au sens de l'écoulement; s = largeur de la fente (0 - 15yum); f = densité de l'helium II; n. = viscosité de l'helium II; S = entropie de l'helium II; T = température de l'helium II liquide; L = chaleur latente d'évaporation; A p = chute de pression le long de la fente; et = longueur de la fente dans le sens de l'écoulement. Comme on peut le voir par la formule ci-dessus, le débit est proportionnel à la troisième puissance de la largeur s de la fente et à la valeur inverse de la longueur J- de celle-ci. A l'inverse de la solution connue, la présente invention utilise donc la relation existant entre le débit et la troisième puissance de la largeur s de la fente avec longueur constante - de celle-ci. Il en résulte les avantages suivants: Le débit peut être ramené également à zéro en cas de besoin, c'est-à-dire que le séparateur de phases peut être fermé sans autre disposi- tif. La largeur s de la fente intervenant à la troisième puissance, la sensibilité du réglage est bien plus grande que dans le cas d'un réglage de la longueur ú de la fente. L'inconvénient observé dans la solution connu, que le débit tend vers l'infini lorsque la longueur l se rapproche de zéro, n'existe plus. En raison de l'étroitesse de la plage dans laquelle se règle la largeur s de la fente, on peut utiliser un système d'entraînement à corps solide, par exemple un système d'en- trainement piézo-électrique dans lequel les réglages s'effectuent absolument sans frottement. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 2, l'ensemble du séparateur de phases est fixé par une bride 7 sur un réservoir rempli d'helium II superfluide et comportant un appui 8 réalisé en conséquence. Le séparateur de phases comporte, pour l'essentiel, un disque 1 ainsi qu'un anneau 2, la surface frontale libre 2.1 de l'anneau 2 formant, avec une surface opposée 1.1 du disque 1, une fente radiale 3. Le disque 1 est assujetti à un organe de réglage 4.1 d'un système d'entraînement piézo-électrique 4 qui est lui-même.raccordé à l'anneau 2. Le système d'entraînement électrique 4 peut être un système d'entraînement à action progressive ou un système d'entraînement fonctionnant par étages individuels de l'ordre de grandeur du nanomètre, par exemple un dit "inch-worm" qui permet un réglage de la fente radiale 3 dans la plage comprise entre 0 et au moins 15/ezn. le système d'entraînement peut éventuellement être aussi installé à l'extérieur du réservoir de He-II à un autre niveau de température, si possible constant. Dans ce mode de réalisation, l"'hele II superfluide, à partir de l'extérieur, pénètre radialement dans la fente radiale 3 et s'écoule ensuite dans l'espace interne formé par l'anneau 2. L'helium gazeux s'écoule à travers un échangeur de chaleur 5 relié à l'espace interne et dans lequel du liquide éventuel ayant traversé la fente 3 est vaporisé par échange de chaleur avec l'helium II superfluide, et, en raison de la chaleur résiduelle, peut par exemple Utre envoyé dans le système d'isolation thermique d'un kryostat. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 3, on n'a représenté que les éléments formant la fente radiale 3, ainsi qu'un autre système d'entraînement pour le réglage de la fente. Sur l'anneau 2 sont fixés trois dispositifs de réglage 9 qui sont régulièrement répartis sur la périphérie et qui agissent sur des éléments 1.2 y associés qui sont par conséquent également uniformément répartis sur la périphérie du disque 1. Un dispositif de réglage 9 comporte une culasse 9.1 qui, solidaire de l'anneau 2, entoure dans sa zone supérieure un système d'entraînement 9.2 dont l'organe de réglage 9. 3 appuie verticalement sur l'élément 1.2 du disque 1. Sur le côté, opposé à l'organe de réglage 9.3, de l'êlément 1.2, est installe un ressort 10 qui s'appuie contre la culasse 9.1 et comprime l'élement 1.2 contre l'organe de réglage 9.3.. Comme il est prévu trois dispositifs 9 de ce type, les surfaces 1.1 et 2. 1, formant la fente radiale 3, peuvent être positionnées de façon absolument parallèle l'une par rapport à l'autre. Le parallélisme peut par exemple être contrôlé par voie capacitive au moyen d'une couche- électrode métallisée sous vide sur l'une des surfaces formant la fente. Tandis qu'avec les deux exemples de réalisation précédemment décrits, on ne peut maîtriser que des courants massiques d'helium relativement petits, la figure 4 représente un mode de réalisation dans lequel on peut monter parallèlement un grand nombre de fentes radiales dont les largeurs sont réglées simultanément au moyen d'un système d'entraînement piézoélectrique. L'exemple de réalisation représente un agencement comportant trois fentes radiales. les fentes sont formées par des disques 11.1, 11.2, 11-3 et des anneaux 12.1, 12.2, 12.3. Les anneaux 12.1 à 12.3 sont maintenus à égale distance par des bagues d'icartement identiques 13.1 et 13.2. De la même façon, les disques 11.1 à 11.3 sont maintenus à égale distance par deux douilles d'écartement 14.1 et 14.2. les bagues d'écartement 13.1 et 13.2 comportent des perçages radiaux 13.11 et 13.21 pour l'amenée de l'helium II aux fentes radiales 16 et 17. Les disques 11. 2 et 11-3 comportent des perçages axiaux 11.21 et 11.22 pour le passage de l'helium gazeux. Les membranes 18 et 19 assurent l'étanchéité des disques 11.1 et 11.3 vis-à-vis des anneaux 12.1 et 12.2 avec lesquels ils ne forment aucune fente radiale réglable. L'helium superfluide qui pénètre par les ouvertures 13.11 et 13.21 ne peut donc pas contourner les fentes radiales réglables 15 à 17. Les disques 11.1 à 11.3 peuvent être déplacés axialement par rapport aux anneaux correspondants 12.1 à 12.3 au moyen d'une bielle 20 et d'un système d'entraînement non représenté, de manière que la largeur des fentes 15 à 17 puisse être réglée dans la plage désirée comprise entre O et 15pu. Comme on peut le comprendre aisément, l'écoulement à travers les fentes radiales dans les exemples de réalisation pr6cités ne doit pas obligatoirement s'effectuer de l'extérieur vers l'intérieur; moyennant un guidage approprié du liquide et du gaz, le sens de l'écoulement de l'helium peut aussi s'effectuer dans le sens opposé. REVENDICATIONS 1. Séparateur de phases réglable d'helium II dans lequel, en utilisant l'action de blocage de l'effet thermomécanique, de l'helium II superfluide s'écoule à travers au moins un canal capillaire en forme de fente dont la géométrie peut être modifiée à l'aide d'au moins un organe de réglage pour la régulation du débit, caractérisé par le fait qu'on peut modifier au moins dans une plage comprise entre O et 15/u la largeur de la fente d'au moins un canal (3;15,16,17) en faisant varier la distance entre deux parois opposées (1.1,2.1) du canal. 2. Séparateur de phases d'helium II selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe de réglage (4.1, 9.3, 20) comporte un système d'entraînement à corps solide, en particulier un système d'entraînement piézo-électrique (4, 9.2). 3. Séparateur de phases d'helium II selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un anneau cylindrique (2) et au moins un disque (1) qui forme une fente radiale (3) avec une surface frontale (2.1) de l'anneau, ainsi qu'au moins un organe de réglage (4.1) permettant de déplacer le disque (1) par rapport à l'anneau (2) dans le sens axial. 4. Séparateur de phases d'helium II selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend deux ou plusieurs paires d'anneaux/disques (11. 1,12.1; 11.2,12.2; 11.3,12.3) -- disposés coaxitalement, chaque disque (11.2,11.3) d'une paire étant respectivement raccordé de façon étanche au gaz au bord interne de l'anneau opposé (12.1-,12.2) de la paire voisine par une membrane flexible (18, 19), et que des ouvertures (11.21,11.22; 13.11,13.21) sont prévues dans les disques (11.2,11.3) ainsi qu'entre les anneaux (12.1 à 12.3) pour le passage de l'helium gazeux ou de l'helium liquide). 5. Séparateur de phases d'helium II selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les disques (11.1 à 11.3) sont mutuellement rigidement raccordés et déplapables axialement en commun au moyen d'un organe de réglage (20).