Brevet FR2818363A1 — publié le 20020621

DISPOSITIF DE LIAISON A TEMPERATURE CRYOGENIQUE La présente invention a pour objet un dispositif de liaison entre une source de froid et un élément porté à une température cryogénique lors de son utilisation ; elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les appareils embarqués ou déplaçables dont la source froide est constituée par une machine frigorifique fonctionnant en cycle fermé (par exemple en cycle de Striling). De telles machines frigorifiques ont un rendement très faible. Pour réduire les pertes thermiques, on a déjà proposé un dispositif comprenant un tube mince délimitant un canal occupé par un caloporteur de refroidissement de l'élément, ce tube étant relié thermiquement à une extrémité à l'élément. L'autre extrémité est fixée à une base qui est directement ou indirectement en contact avec l'ambiance, à température très supérieure. Une étude a montré que les pertes par conduction dans le tube représentent plus de la moitié, et souvent près de 70 %, des pertes totales. Il est donc essentiel de constituer ce tube en des matériaux ayant un très faible coefficient de conductibilité thermique mais répondant aussi à d'autres exigences telles qu'une perméabilité très faible aux caloporteurs généralement utilisés (hydrogène et surtout hélium gazeux ou azote liquide) et une possibilité de raccordement étanche à la base et à l'élément à refroidir ou à son support. Pour arriver à ce résultat, le document FR-A-2 752 287 propose en conséquence un tube en un alliage à base de titane comportant de 6 à 8 % d'aluminium, de 1 à 5 % de vanadium ou de zirconium, 0,5 à 1 % de molybdène et éventuellement 2 % au plus d'étain. Le gain apporté par ces alliages par rapport aux alliages à 6 % AI et 4 % Va couramment utilisé auparavant reste limité et le fait que ces alliages n'ont pas d'autres applications conduit à un coût très élevé, du fait qu'ils doivent être préparés spécialement. L'invention vise en conséquence à fournir un tube en un alliage présentant une conductibilité très réduite aux températures cryogéniques (proches de la température de liquéfaction de l'azote) requises pour des détecteurs infrarouge, répondant aux autres exigences de cette application et d'un coût acceptable. Dans ce but, elle propose un dispositif de liaison entre une source de froid et un élément porté à une température cryogénique lors de son utilisation, comprenant un tube mince délimitant un canal destiné à être occupé par un caloporteur, fermé à une extrémité par un couvercle relié thermiquement à l'élément et fixé à l'autre extrémité à une base en contact avec l'ambiance, caractérisé en ce que le tube est constitué en un alliage à base de titane comportant : - soit 3 : t 1 % d'aluminium, 11 + 1 % de chrome et 13 + 1 % de vanadium, - soit 20 à 25 % de vanadium, - ainsi que les impuretés inévitables. Parmi les compositions répondant aux définitions ci-dessus, il a été constaté que les trois suivantes présentaient à la fois une conductivité thermique très basse aux températures nécessaires au fonctionnement des détecteurs infrarouge, une bonne aptitude à l'usinage permettant de réaliser des tubes très minces, une soudabilité satisfaisante, une bonne étanchéité à l'hélium sous des pressions différentielles pouvant atteindre 40 bars et qu'au surplus ils se rapprochaient de certains alliages utilisés pour la constitution d'ailettes en aéronautique : - 13% V, 11% Cret3% AI - 20% V - 25% V le reste étant du titane et des impuretés inévitables. Les tubes sont fabriqués par corroyage d'un lingot, puis usinage de haute précision et recuit de détensionnement complet, alors que les parties chaudes de moteur constituées en des alliages comparables sont à l'état recristallisé ou même à l'état monocristallin. D'autres caractéristiques encore apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de liaison ; la figure 2 est un schéma simplifié montrant un appareil ayant un élément à porter à température cryogénique et une machine frigorifique miniature à cycle ferme, raccordée à la base du dispositif. Le dispositif représenté schématiquement en figure 1 est du type décrit dans le document FR-A-2 752 287 auquel on pourra se reporter. Il comprend un tube mince 10 dont une extrémité est fixée à une base 12 et dont l'autre extrémité est fermée par un couvercle 14. Il est incorporé à un appareil de détection de rayonnement infrarouge dont le détecteur 16 est relié thermiquement au couvercle 14 sur lequel il est fixé. L'ensemble constitué par le détecteur et le dispositif de liaison, souvent qualifié de "doigt froid", est placé dans un cryostat ayant une chemise 18 et un hublot 20 en matériau transparent au rayonnement infrarouge à détecter. La cheminée 18 est également fixée de façon étanche à la base 12 et délimite un espace isolant sous vide. Le canal délimité par le tube 10 communique avec une source de fluide cryogénique 20. La base reçoit un ensemble de liaison ayant un pion 22, qui s'engage dans le tube 10 et qui est percé d'un trou axial d'amenée de fluide cryogénique, et un manchon isolant 24. Le fluide cryogénique arrive au tube par le trou axial du pion et par des perçages radiaux du pion, du manchon et de la base. Le tube 10 est en matériau à base de titane ayant un coefficient de conductibilité thermique très faible aux températures cryogéniques, une très faible perméabilité aux gaz, soudable au couvercle (qui doit être en matériau thermiquement conducteur) et à la base. Ce matériau contient, à titre d'additif, du vanadium et éventuellement d'autres éléments réduisant notablement sa conductibilité thermique. Cette conductibilité, à 20 C (en W/m. K) est de l'ordre de : - 7 pourl'alliageditTi-13-11-3, à8% AI, 13% V, 11% G, 3% AI - 4, 5 pour l'alliage dit Ti-20 V, à 20 % V - 4, 5 pour l'alliage dit Ti-25 V, à 25 % V. A titre de comparaison, la conductibilité pour un alliage à 6 % AI et 4 % V est de 6,7. A 85K, la conductibilité est respectivement de l'ordre de - 3, 0 pour l'alliageditTi-13-11-3, à8% AI, 13% V, 11 % G, 3 % AI - 3, 5 pour l'alliage dit Ti-20 V, à 20 % V - 3, 5 pour l'alliage dit Ti-25 V, à 25 % V. A titre de comparaison, la conductibilité à cette température pour l'alliage à 6 % AI et Vaestde4, 5. Un dispositif a été réalisé avec un tube recuit du type ci-dessus de 6 mm de diamètre et 0,12 mm d'épaisseur. La base 12, destinée à recevoir le tube et la chemise 18, était également en alliage à base de titane, éventuellement identique à celui du tube, usinée et rectifiée, présentant un prolongement 26 dans lequel s'emboîte le tube 10. Pour faciliter le soudage du tube sur la base, l'extrémité du tube est avantageusement plus épaisse que la partie courante, sur une longueur de quelques millimètres. Le soudage était effectué par faisceau d'électrons ou laser sur une partie terminale de 0,4 mm d'épaisseur. L'extrémité fixée au couvercle 14, en titane pur (plus conducteur que l'alliage), était épaissie pour faciliter le soudage au couvercle par faisceau d'électrons ou laser. L'application et le mode de montage décrits en détail ne représentent que des exemples et le domaine d'application de l'invention s'étend à tous les systèmes de refroidissement d'une charge indiqués plus haut. REVENDICATIONS 1. Dispositif de liaison entre une source de froid et un élément (16) porté à une température cryogénique lors de son utilisation, comprenant un tube mince (10) délimitant un canal destiné à être occupé par un caloporteur, fermé à une extrémité par un couvercle relié thermiquement à l'élément et fixé à l'autre extrémité à une base (12) en contact avec l'ambiance, caractérisé en ce que le tube est constitué en un alliage à base de titane comportant : - soit 3 + 1 % d'aluminium, 11 1 % de chrome et 13 + 1 % de vanadium, - soit 20 à 25 % de vanadium, - ainsi que les impuretés inévitables. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage contient, en plus du titane et des impuretés inévitables, 20 % ou 25 % de vanadium. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage contient, en plus du titane et des impuretés inévitables, 3 % d'aluminium, 11 % de chrome et 13 % de vanadium. 4. Dispositif selon la revendication 1,2 ou 3, destiné à porter à basse température un élément constitué par un détecteur infrarouge, comprenant de plus un cryostat constitué par une chemise (18) entourant le tube, fixée à la base et fermée par un hublot (20) en matériau transparent au rayonnement infrarouge. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base, en alliage de titane, et le couvercle, en titane pur, sont soudés au tube, en alliage détendu, par faisceau d'électrons ou au laser.