Brevet FR2618016A1 — publié le 19890113

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN AIMANT RESISTIF La présente invention est due à la collaboration du Service National des Champs Intenses (Directeur M. Guy AUBERT). L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un aimant résistif, du type utilisant un fluide de refroidissement circulant dans un circuit fermé. L'invention trouve son application particulièrement dans le domaine médical ou des aimants résistifs sont utilisés dans des méthodes d'imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Elle peut néanmoins trouver son application dans d'autres domaines, notamment dans celui de la recherche scientifique, et dans tous les cas où des variations de températures de l'aimant risquent d'entraîner des inhomogénéitês et des variations de la valeur nominale du champ. Les installations d'imagerie par RMN, entre autres, nécessitent un aimant de grande dimension capable d'engendrer un champ magnétique uniforme, dit champ principal, dans une région déterminée de l'espace Typiquement, il est nécessaire d'engendrer un champ de 0,15 à 0,5 Tesla avec une homogénéité de 1 à 10 parties par million (ppm), dans une zone d'intérêt généralement située dans l'aimant. Parmi les différents types d'aimants couramment utilisés pour de tels champs, on peut citer des aimants résistifs constitués d'une ou plusieurs bobines, agencées le plus souvent sans carcasse ferro-magnétique. L'aimant se présente sous la forme générale d'un cylindre circulaire à l'intérieur duquel une partie libre est destinée à constituer un tunnel prévu pour recevoir un patient. Les bobines sont disposées autour d'un axe longitudinal du cylindre et autour du tunnel, et produisent le champ principal précédemment mentionné. I,a puissance électrique consommée par l'aimant est couramment de l'ordre de 60 à 70 KW, qui sont pratiquement dissipés par effet Joule. La chaleur ainsi produite dans l'aimant peut entraîner, par suite notamment de dilatations du cuivre des bobines, une modification locale ou d'ensemble de la géométrie des bobines, d'où il peut résulter des inhomogénéités du champ et une modification de la valeur nominale de ce dernier. Pour refroidir l'aimant et stabiliser sa tempérsture, il est connu de coupler l'aimant à un circuit de refroidissement dont le fluide est de l'eau par exemple : l'eau ayant absorbée des calories produites par l'aimant est refroidie à son tour, avant d'être réinjectée dans le circuit. L'un des inconvénients du refroidissement par eau réside en ce que l'eau pure oxyde le cuivre, et que si l'eau n'est pas pure elle est conductrice ; de sorte que l'eau ne peut pas être mise en contact direct avec les bobines à refroidir de l'aimant.En outre, ce type de refroidissement ne permet pas d'obtenir une stabilisation suffisante en température de l'aimant du fait que, durant son trajet le long de l'aimant, l'eau absorbe des calories produites par l'aimant d'où il résulte que le long de ce trajet, la température de l'eau s'élève et par suite l'eau refroidit moins l'aimant à la sortie qu'a l'entrée de ce dernier ; de sorte qu'il existe un gradient de température non négligeable entre les deux extrémités de l'aimant. Il est classique de remplacer l'eau par une huile diathermique qui, par rapport à l'eau, présente comme avantage de ne pas oxyder le cuivre et de conserver de bonnes caractéristiques d'isolation électrique ; son inconvénient étant d'avoir une chaleur massique très inférieure à celle de l'eau. Aussi, à moins de faire circuler cette huile diathermique avec un débit extrêmement important, au point de rendre cette solution pratiquement inapplicable, le refroidissement de l'aimant par cette huile laisse subsister un gradient de température important sur la longueur de l'aimant. En pratique, on constate que pour un aimant dissipant environ 60 KW et refroidi par une huile diathermique classique, il faut un débit d'au moins 30 m3/heure de cette huile pour limiter les variations et les gradients de température à 50C, alors que des variations notables du champ sont observées pour des variations de température de 10C. L'invention concerne un- dispositif de refroidissement d'un aimant résistif, de mise en oeuvre simple, utilisant un fluide de refroidissement susceptible d'être mis au contact des bobines de l'aimant et circulant dans ce dernier sous un débit beaucoup plus faible que dans l'art antérieur...le dispositif de refroidissement de l'invention permet en outre de stabiliser la température de l'aimant à une température prédéterminée et sensiblemont égale sur toute la longueur de l'aimant. Selon l'invention, un dispositif de refroidissement d'un aimant, comportant un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement, l'aimant étant thermiquement couplé audit circuit de circulation est caractérisé en ce que le circuit de circulation comporte un évaporateur constitué en tout ou partie par l'aimant, Ie fluide absorbant par évaporation dans l'aimant les calories produites par effe Joule. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux 9 la lumière de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence à la figure annexée qui représente un dispositif de refroidissement d'aimant conforme au principe de l'invention La figure I montre schématiquement à titre d'exemple non limitatif, un dispositif de refroidissement 1 selon l'invention, appliqué au refroidissement d'un aimant résistif 2 du type utilisé dans une installation d'imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. L'aimant 2 a la forme générale d'un cylindre circulaire 3 dont un axe longitudinal Z constitue l'axe de l'aimant 2. I,'aimant 2 est conçu pour engendrer un champ magnétique intense Bg qui est orienté, dans un volume interne 5 de l'aimant, selon l'axe Z de ce dernier ; le champ magnétique Bo étant particulièrement très homogène dans une zone d'intérêt ayant un centre O situé sur l'axe longitudinal Z dans le volume interne 5. Le champ magnétique Bg est produit par une ou plusieurs bobines en elles-mêmes classiques telles que par exemple une première bobine 6 et une seconde bobine 7 situées autour de l'axe longitudinal Z et du volume interne 5. Dans l'exemple non limitatif décrit, les bobines 6,7 sont contenues dans un espace 8 formé entre une paroi externe 9 et une paroi interne 10 du cylindre 3, et dans lequel les bobines 6,7 sont portées et alimentées électriquement de manière traditionnelle (non représentées). Dans l'exemple non limitatif décrit, la première bobine 6 représente un bobinage classique du type solénoïde formé par exemple par un conducteur électrique 11 enroulé autour d'un mandrin (non représenté), de manière à constituer une succession de n spires S1, . .., Sn ; les spires S1 à S étant symbolisées sur la figure par la section du n conducteur électrique 11. Le second bobinage 7 est du type "bobine de Bitter" on entend par "bobine de Bitter" une bobine constituée de disques annulaires 12 métalliques (typiquement en cuivre ou en aluminium) définissant des -spires d'un solénoïde, ces disques annulaires 12 étant électriquement connectés bout à bout pour matérialiser un solénoïde ; les disques annulaires 12 sont électriquement isolés les uns des autres par interposition de feuilles isolantes 13, tandis que des trous (non représentés sur la figure) pratiqués dans les anneaux et les isolants permettent de définir des canaux 14 s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal du solénoïde, c'est-à-dire parallèlement à l'axe longitudinal Z, et dans lesquels peut circuler un fluide de refroidissement. La structure d'une bobine de Bitter, adaptée pour une application à l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, est décrite dans une demande de brevet français NO 84 19193 publiée sous le NO 2 574 982. Bien entendu, dans l'esprit de l'invention, l'aimant 2 peut comporter une ou plusieurs bobines du type de la première bobine 6 ou du type de la seconde bobine 7 ou même d'un type différent. L'espace 8 contenant les bobines 6,7 est fermé de manière étanche du côté d'une première et d'une seconde extrémités 15,16 du cylindre 3, par une première et une seconde plaques annulaires 17,18 qui comportent respectivement un premier et un second orifices 19,20. L'espace 8 communique par les orifices 19,20 avec un circuit de circulation 22 contenant un fluide de refroidissement 23 (symbolisé par un nuage de points sur la figure) destiné à refroidir l'aimant 2. Le fluide 23 circule dans le sens par exemple représenté par des flèches 25. Selon des caractéristiques de llinvention, le fluide 23 circule dans l'espace 8 sous la forme d'un mélange diphasique liquide-gaz, et l'espace 8 constitue un évaporateur dans lequel le fluide 23 absorbe en s'évaporant les calories produites par l'aimant 2, c'est-à-dire par les bobines 6,7 avec lesquelles le fluide 23 est en contact thermique intime. Le fluide 23 pénètrant dans l'espace 8 ou évaporateur sous forme diphasique liquide-gaz, sa capacité d'absorber les calories produites par l'aimant 2 est directement liée à la chaleur latente de vaporisation du fluide 23. Aussi, l'un des avantages importants apportés par l'invention, est que le refroidissement de l'aimant 2 peut être obtenu avec le fluide 23 circulant sous un débit beaucoup plus faible que celui qui est exigé dans l'art antérieur pour refroidir un aimant avec une huile diathermique. Il est à remarquer en outre, que tout en conservant un débit relativement faible du fluide 23, ce dernier peut circuler dans l'évaporateur 8 en quantité suffisante pour absorber les calories produites par I'aimant 2 tout en conservant sa forme diphasique liquide-gaz jusqu'à sa sortie de l'aimant 2, c'est-à-dire après avoir traversé la longueur L de l'évaporateur 8 depuis le premier orifice 19 ou orifice d'entre jusqu'au second orifice 20 ou orifice de sortie la chaleur transférée au fluide 23 ayant provoqué bien entendu une évaporation de ce dernier, de sorte que sa proportion en gaz est plus grande à la sortie 20 qu'à l'entrée 19 de l'aimant 2.Il résulte de cette configuration, que pour une pression P1 sensiblement constante et égale dans tout l'évaporateur 8, la température du fluide 23 sous forme diphasique est également constante sur toute la longueur L de l'évaporateur, de sorte que l'on stabilise la température de l'aimant 2 à une température voulue, qui est la même sur toute la longueur L. Dans l'exemple non limitatif décrit, le fluide 23 est du type fluide réfrigérant connu sous le nom de Fréon, et particulièrement du Fréon 11 (qui est le composé CCL3F) dont le mélange diphasiq;se stable, à une pression de 1,3 bar, est à une température de l'ordre de 300C, et dont la chaleur latente de vaporisation dans ces conditions est de l'ordre de 43 calories/gramme. I1 est à noter également que le fluide 23 du type fréon 11 présente d'excellentes caractéristiques quant à l'isolation électrique de sorte que le fluide 23 peut être mis sans problème directement en contact avec les bobines 6,.7. En considérant le circuit de circulation 22 suivant le sens 25 de circulation du fluide 23 : le fluide 23 en sortant de l'orifice de sortie 20 est conduit dans une première tubulure 28 jusqu'à une pompe ou compresseur 29. Le compresseur 29 comprime le fluide 23 et le rejette dans une seconde tubulure 30 à une seconde pression P2 plus forte que la première pression P1 qui règne dans l'évaporateur 8, à une pression de 3 bars par exemple. La seconde tubulure 30 conduit le fluide 23 jusqu a un condenseur 32 dans lequel le fluide 23 est refroidi de manière classique. Dans l'exemple non limitatif décrit, le condenseur 32 comporte une enceinte 33 contenant un serpentin 34 traversé par le fluide 23.Le serpentin 34 est immergé dans un fluide auxiliaire, de l'eau ou de l'air par exemple, apporté et renouvelé dans l'enceinte 33 par un circuit de circulation auxiliaire 35, comme symbolisé par des flèches 36. Le fluide 23, après avoir traversé le condenseur 32, est conduit par une troisième tubulure 43 jusqu'à un organe stabilisateur de pression 40, le fluide 23 étant alors principalement sous forme liquide. Le stabilisateur de pression 40 permet d'alimenter l'espace 8 ou évaporateur en fluide 23 (Fréon 11) ayant la pression P1 et la température désirées, c'est-à-dire dans l'exemple non limitatif décrit une pression de 1,3 bar et par suite une température d'environ 300 C. Différents moyens en eux-mêmes connus peuvent être utilisés pour obtenir la pression P1 voulue dans l'évaporateur 8. On peut utiliser par exemple un détenteur 41 du type détendeur pressostatique qui peut contrôler la pression du fluide 23 grâce au réglage préalable d'une perte de charge (non représentée) que cet organe introduit dans la circulation du fluide 23.Le détendeur 41 peut être également constitué par un détendeur du type thermostatique, classique également1 qui fonctionne à l'aide d'un capteur de température (non représenté) lui permettant de connaître Ia température du fluide 23 en un point donné du circuit, c'est-à-dire dans le cas présent soit dans l'évaporateur 8, soit dans une quatrième canalisation 50 qui relie le détendeur 41 à l'évaporateur B le détendeur 41 thermostatique ajuste alors la perte - de charge qu'il établit dans le circuit pour obtenir une température de consigne désirée qui elle-même correspond à une pression donnée, c'est-à-dire dans l'exemple non limitatif décrit une température de l'ordre de 3O0C avec une pression Pi de tordre de 1,3 bar. Pour obtenir la pression P1 voulue dans 1'évaporsteur 8, on peut également réaliser le stabilisateur de pression 40 sous la forme d'un circuit de dérivation 44,45 disposé dans le circuit de circulation 22 en parallèle avec l'évaporateur 8. Un tel circuit de dérivation est montré à titre d'exemple non limitatif sur la figure, en traits pointillés, et comporte une analisation 45 dans laquelle est insérée, en série, une vanne 44 qui constitue une perte de charge ajustable. Dans ce cas, particulièrement si le compresseur 29 est du type volumétrique, il est possible d'ajuster la pression P1 dans ltévaporateur 8, par le réglage du débit de fluide 23 dans le circuit de dérivation 44,45, en ajustant la perte de charge constituée par la vanne 44.Bien entendu, dans ce cas, la seconde pression P2 à la sortie 50 du compresseur 29 varie également ; de sorte que cette seconde pression P2 à la sortie de la pompe ou compresseur peut être supérieure à la pression P1 désirée dans l'évaporateur 8, d'une quantité juste nécessaire à compenser la perte de charge du condenseur 32. Le fluide 23 pénètre ensuite dans l'évaporateur 8 dont la perte de charge est faible et sensiblement constante sur toute la longueur L de ce dernier. En effet, dans le cas où l'espace 8 ou évaporateur contient -des bobines du type de la première bobine 6 par exemple, il est simple d'obtenir une faible perte de charge en plaçant les parois extérieures et intérieures 9,10 qui constituent l'espace 8, à une distance D l'une de l'autre nettement plus grande que le diamètre d du conducteur 11, la distance D étant par exemple double du diamètre d ; ceci permet d'obtenir un refroidissement à coeur tout en limitant le volume nécessaire de fluide 23.Dans le cas ou l'évaporateur ou espace 8 contient des bobines du type de la seconde bobine 7, c'est-à-dire du type bobine de Bitter, la perte de charge peut être également faible et constante du fait que, comme il a été précédemment mentionné, une bobine de Bitter comporte couramment un grand nombre de canaux 14 destinés à la circulation d'un fluide de refroidissement, de sorte que l'espace 8 ou évaporateur peut également être constitué au moins partiellement par l'ensemble de ces canaux 14. I1 est à rappeler que la demande de brevet précédemment citée, publiée sous le N02 574 982 montre et explique en détail la structure de bobines de Bitter adaptées pour former l'aimant résistif d'une installation d'imagerie par RMN, et cette demande de brevet doit être considérée comme faisant partie de la présente description. I1 est å noter que l'invention est applicable également si ltévaporateur 8, dans lequel circule le fluide 23, est formé entre la paroi intérieure 10 et une seconde paroi intérieure (non représentée), plus Intérieure que la première, ou encore entre la paroi extérieure 9 et une seconde paroi extérieure (non représentée), plus extérieure que la première, mais on observe que dans l'un ou l'autre de ces deux derniers cas, le couplage thermique entre le fluide 23 et les bobines 6,7 n'est pas aussi bon que dans l'exemple représenté à la figure où le fluide 23 est en contact intime avec les bobines 6,7. Le contact thermique étroit qui est obtenu entre le fluide 23 et les bobines 6,7, dans l'exemple représenté à la figure, permet d'obtenir un refroidissement et une stabilisation en température de l'aimant 2 particulièrement efficace. En effet, les calculs prévoient que des gradients de température le long de la longueur L de ltaimant seront de l'ordre de 0,10C, à condition bien entendu que le fluide 23 conserve sa forme diphasique durant tout son trajet le long de la longueur L. Le fonctionnement optimum, avec une quantité minimum de fluide 23, est obtenu quand le fluide 23 pénètre dans l'aimant par le premier orifice 19 à l'état diphasique, avec une grande qusntité de liquide et une faible quantité de bulles ou gaz, et sort de l'aimant par le second orifice 20 toujours sous forme diphasique, mais avec une faible quantité de liquide et une grande quantité de gaz. -En supposant qu'une puissance électrique de 60 KW soit appliquée à l'aimant 2, le débit du fluide 23 dans l'évaporateur 8 doit permettre d'absorber de l'ordre de 15 000 calories par seconde ou plus pour que le fluide 23 conserve son état de mélange diphasique sur toute la longueur L de l'évaporateur 8, et que par suite l'aimant 2 soit sensiblement à une même température sur toute cette longueur L. Si le fluide 23 est du Fréon 11 comme il a été mentionné plus haut, sa chaleur latente de vaporisation à une pression de 1,3 bar est de tordre de 43 calories/grammes, et sa masse volumique étant de l'ordre de 1,46 g/cm3, il suffit d'un débit en fluide 23 d'environ 0,24 litre/seconde ou 0,864 m3/h, alors que dans l'art antérieur en utilisant une huile 3 diathermique, il faut un débit d'au moins 30 m /h tout en tolérant que l'aimant soit à une température plus élevée de 50C à sa sortie qu a son entrée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un aimant résistif, comportant un circuit (22) de circulation d'un fluide (23) couplé thermiquement à l'aimant (2), caractérisé en ce que le circuit de circulation (22) comporte un évaporateur (8) constitué en tout ou partie par l'aimant (2), le fluide (23) absorbant par évaporation dans l'aimant (2,8) des calories produites par effet Joule. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (29,32,40) pour faire circuler le fluide (23) dans sensiblement tout l'évaporateur (8) sous la forme d'un mélange diphasique à une température et à une pression (P1) prédéterminées. 3. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaporateur (sus) contient au moins une bobine (6,7) de l'aimant (2). 4. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aimant (2) comporte au moins une bobine (7) du type bobine de Bitter, et en ce que l'évaporateur (8) est constitué au moins partiellement par des canaux (14) de circulation de fluide formés dans la bobine de Bitter (7). 5. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes > caractérisé en ce que le circuit de circulation (22) comporte un stabilisateur de pression (40) déterminant la pression (P1) du fluide (23) dans l'évaporateur (40). 6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le stabilisateur de pression (40) est un détendeur pressostatique (41). 7. Dispositif de refroidissement selon la revendi 8. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes; caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (29) du type volumétrique. 9. Dispositif de refroidissement selon la revendication 8, caractérisé en ce que le stabilisateur de pression (40) comporte un circuit de dérivation (44,45) monté en parallèle avec l'évaporateur (8). 10. Dispositif de refroidissement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (44,45) comporte une perte de charge (44) ajustable. 11. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide (23) est du Fréon 11 (CCL3F). 12. Dispositif de refroidissement selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pression du Fréon 11 dans l'évaporateur (8) est d'environ 1,3 bar.