Brevet FR2881216A1 — publié le 20060728

INSTALLATION DE REFROIDISSEMENT CRYOGENIQUE POUR DISPOSITIF SUPRACONDUCTEUR La présente invention concerne d'une façon générale le domaine des installations de refroidissement cryogénique de dispositifs supraconducteurs et, plus précisément, elle concerne des perfectionnements apportés à de telles installations comprenant: - un réservoir pour un fluide cryogène biphasique dans 10 lequel est immergé un dispositif supraconducteur à refroidir, - un conduit d'alimentation en fluide cryogène fonctionnellement associé au réservoir pour son alimentation en fluide cryogène, - une valve de commande d'alimentation en fluide cryogène disposée dans ledit conduit d'alimentation, et - un collecteur de sortie raccordé audit réservoir. Un agencement classique d'une installation visée par l'invention est illustré à la figure 1 du dessin annexé. Un réservoir 1 renferme un fluide cryogène biphasique dont la phase liquide 2 est surmontée d'une phase vapeur 3. Un dispositif supraconducteur 4 est immergé dans la phase liquide 2. Un conduit 5 d'alimentation en fluide cryogène est raccordé au réservoir 1 et une vanne de commande 6, incorporée dans le conduit d'alimentation 5, permet de contrôler l'alimentation en fluide cryogène dans le réservoir 1. Un collecteur de sortie 7 est prévu pour l'évacuation du fluide cryogène vaporisé par les charges thermiques du système. Enfin, dans le réservoir 1 est prévue une jauge de niveau 8, par exemple fonctionnellement associée à la vanne de commande 6, pour détecter le niveau de remplissage du réservoir 1 avec du fluide cryogène en phase liquide et piloter la vanne de commande 6. Les charges thermiques du système sont absorbées par vaporisation partielle du liquide cryogène, en jouant sur la chaleur latente de vaporisation de celui-ci. Le fluide cryogène vaporisé est évacué par le collecteur de sortie 7, tandis que du fluide cryogène à l'état liquide est alimenté en fonction des besoins sous la commande de la jauge de niveau 8 et de la vanne de commande 6 de manière que le dispositif supraconducteur 2 demeure immergé en permanence. Toutefois, en présence d'une transition résistive du dispositif ou de toute autre perturbation thermique aboutissant à une forte et rapide augmentation de la charge thermique, le fluide cryogène à l'état liquide au contact duquel doit être maintenu le dispositif disparaît rapidement et complètement à la fois du fait de sa vaporisation due à l'accroissement de la charge thermique et du fait de son entraînement turbulent à grand débit dans le collecteur de sortie. Le retour à un refroidissement du dispositif et la recouvrance d'un état de supraconductivité nécessite que du fluide cryogène à l'état liquide soit à nouveau alimenté dans le réservoir. Cette nouvelle alimentation en fluide cryogénique liquide, non seulement nécessite du temps, mais surtout nécessite un apport de fluide qui se révèle coûteux. L'invention a essentiellement pour but de proposer un agencement perfectionné pour une installation du type considéré qui permette d'assurer son fonctionnement correct et fiable en présence de conditions thermiques normales, mais qui, en présence de conditions thermiques anormales, permette une ré-immersion plus rapide du dispositif et une recouvrance plus rapide de l'état de supraconductivité et aussi évite la perte du fluide cryogène liquide initialement présent dans le réservoir et donc autorise une économie substantielle en fluide cryogène. A ces fins, l'invention propose une installation telle que mentionnée au préambule qui se caractérise, étant agencée selon l'invention, en ce qu'elle comprend en outre: - un réservoir auxiliaire et - un conduit de raccordement hydrostatique interposé entre les fonds respectifs des réservoirs principal et auxiliaire, - ledit réservoir auxiliaire étant disposé par rapport au réservoir principal et étant dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide dans le réservoir principal, -le susdit conduit d'alimentation en fluide cryogène étant raccordé au réservoir auxiliaire, - un collecteur de sortie étant raccordé au réservoir auxiliaire, - des moyens de restriction étant incorporés dans le collecteur de sortie raccordé au réservoir principal. Grâce à ces dispositions conformes à l'invention, en présence d'un échauffement rapide du dispositif supraconducteur, certes du fluide cryogène liquide est vaporisé, mais son refoulement dans le collecteur de sortie du réservoir principal est fortement freiné par les moyens de restriction. De ce fait la pression du fluide cryogène vaporisé augmente dans le réservoir et au moins une partie du fluide cryogène à l'état liquide présent dans le réservoir principal est refoulé, sous l'action de cette pression du fluide cryogène vaporisé, dans le réservoir auxiliaire. Ce fluide cryogène liquide présent dans le réservoir auxiliaire s'écoule à nouveau par gravité vers le réservoir principal lorsque la pression du fluide vaporisé diminue dans celui-ci. Dans ces conditions, non seulement c'est le fluide cryogène refoulé qui est réintroduit dans le réservoir principal, mais en outre ce remplissage du réservoir principal intervient sans retard dès que la surcharge thermique a disparue et cela de façon automatique par simple gravité. La quantité de fluide cryogène qui a traversé les moyens de restriction au cours de ce processus et qui a disparue reste relativement faible et n'a rien de comparable avec le volume important de fluide, à la fois à l'état vaporisé et liquide, qui était évacué dans une installation classique dans les mêmes circonstances. Pour que le réservoir auxiliaire puisse être réalisé sous une forme relativement compacte, il est avantageux qu'il soit disposé sensiblement plus haut que le réservoir principal, de sorte qu'au surplus seule une faible quantité de fluide cryogène liquide y est contenu dans des conditions thermiques normales. De préférence alors, des moyens de détection du niveau du fluide cryogène liquide sont disposés dans le 25 réservoir auxiliaire. Selon le mode de fonctionnement requis pour cette installation, on peut prévoir que, de façon simple, les moyens de restriction comprennent une restriction, ou bien, dans une réalisation plus élaborée, qu'ils comprennent une vanne à commande externe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique illustrant une installation classique visée par l'invention; - la figure 2A est une vue schématique illustrant une installation du type de celle de la figure 1 perfectionnée conformément à l'invention, montrée dans des conditions thermiques normales; - la figure 2B est une vue schématique illustrant l'installation de la figure 2A en présence d'une modification notable et rapide des conditions thermiques; et - la figure 3 est une vue schématique analogue à celle de la figure 2A montrant une variante intéressante de réalisation de l'installation conforme à l'invention. En se reportant maintenant tout d'abord à la figure 2A, l'installation agencée conformément à l'invention reprend les éléments montrés à la figure 1 avec en outre un second réservoir ou réservoir auxiliaire 9. Un conduit de raccordement hydrostatique 10 est interposé entre les fonds respectifs des réservoirs principal 1 et auxiliaire 9. Le conduit 5 d'alimentation en fluide cryogène, avec sa vanne de commande 6, est raccordé au réservoir auxiliaire 9 et la jauge de niveau 8 est installée dans le réservoir auxiliaire 9. Le réservoir auxiliaire 9 est également équipé d'un collecteur de sortie 7b, tandis que le collecteur de sortie 7a du réservoir principal 1 est pourvu de moyens de restriction 11. Comme illustré à la figure 2A, les deux collecteurs 7a et 7b peuvent se rejoindre, en aval des moyens de restriction 11, en un collecteur unique 7. 2881216 6 Le réservoir auxiliaire 9 est disposé par rapport au réservoir principal 1 et est dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide dans le réservoir principal 1. Le réservoir auxiliaire 9 est décalé vers le haut par rapport au réservoir principal 1. En fonctionnement normal, comme montré à la figure 2A, le fluide cryogène sous forme liquide est reçu dans le réservoir auxiliaire 9 et les pertes gazeuses de transfert sont évacuées directement par le collecteur 7b. Ainsi, seul du cryogène à l'état purement liquide est délivré par gravité au réservoir principal 1 par l'intermédiaire du conduit de liaison 10 largement dimensionné, avec une chute de pression négligeable. Le débitmasse de cryogène vaporisé 1Tlnormal engendré dans le liquide cryogène 2 par une charge thermique en fonctionnement normal est évacué par le collecteur 7a à travers les moyens de restriction 11. Ceux-ci sont dimensionnés de manière à autoriser l'écoulement normal du cryogène gazeux avec une faible chute de pression Lpnormal qui entraîne, du fait de l'équilibre hydrostatique régnant entre les deux réservoirs 1 et 9, un écart de niveau.8hnormal entre les niveaux de liquide dans respectivement les deux réservoirs auxiliaire 9 et principal 1. Le volume du réservoir auxiliaire 9 est tel que le liquide 12 qui y est présent est surmonté d'un volume 13 libre (c'est-à-dire contenant du cryogène vaporisé) relativement important correspondant au moins à la plus grande partie du cryogène liquide présent dans le réservoir principal 1. Dans le cas d'une transition résistive du dispositif 4 ou de tout autre perturbation thermique aboutissant à un accroissement important et rapide de la charge thermique, le liquide cryogène dans le réservoir 1 se vaporise en un débit-masse très supérieur à ce qu'il est en fonctionnement normal mtransition mnorma1 É Il en résulte, en raison de la présence des moyens de restriction 11 dans le collecteur de sortie 7a qui freinent l'écoulement du cryogène vaporisé, une importante augmentation de la chute de pression Iàptransition En raison de l'accroissement de la pression du cryogène vaporisé dans le réservoir principal 1 et de l'équilibre hydrostatique entre les deux réservoirs, il en résulte un refoulement rapide du cryogène liquide restant du réservoir principal 1 dans le réservoir auxiliaire 9, comme illustré à la figure 2B. Ainsi, le dispositif 4 chaud, qui n'est plus immergé au moins pour sa plus grande partie dans le liquide cryogène, est découplé thermiquement de celui-ci. De par son reflux du réservoir principal vers le réservoir auxiliaire, le liquide cryogène est épargné et il n'est pas déchargé vers l'extérieur et perdu comme cela est le cas dans les installations classiques telles que celle de la figure 1. Lorsque l'écoulement gazeux dans le collecteur 7a diminue, la chute de pression dans les moyens de restriction 11 diminue elle aussi et donc l'écart des niveaux de liquide dans les deux réservoirs se réduit jusqu'à ce qu'il parvienne à un point où le transfert de liquide depuis le réservoir auxiliaire 9 vers le réservoir principal 1 peut se rétablir. Alors le réservoir auxiliaire 9 se décharge par gravité dans le réservoir principal 1 pour revenir à la situation normale montrée à la figure 2A, avec le dispositif 4 à nouveau totalement immergé dans le liquide cryogène. 2881216 8 En supposant un écoulement gazeux turbulent dans le collecteur de sortie 7a et les moyens de restriction 11, on peut écrire: Ah - Ap - m2 et donc z Ahtransition Ahnormal=APtransition/APnormal= Lmtransition/mnormal Pour fixer les idées, si l'on suppose un rapport mtransition/mnormal aussi faible que 10, alors Ohtransition/Ahnormal vaut 100, c'est-à-dire par exemple un accroissement de la différence des niveaux liquides de 1 cm à 1 m qui permet facilement au dispositif supraconducteur 4 d'émerger hors du liquide et au liquide d'être rétrodéplacé. On soulignera également que la nature et les propriétés du fluide cryogène, qu'il soit en phase liquide ou en phase vapeur, n'interviennent pas, ce qui fait que les dispositions conformes à l'invention peuvent être mises en oeuvre sans limitation. Il suffit seulement que le collecteur de sortie 7a et les moyens de restriction il soient dimensionnés de façon appropriée en fonction des propriétés du fluide cryogène dans ses phases liquide et gazeuse, et en fonction aussi des charges thermiques prévues en fonctionnement normal. Dans le mode de réalisation simple illustré aux figures 2A et 2B, les moyens de restriction 11 comprennent une restriction 14 fixe insérée dans le conduit 7a. Toutefois, d'autres agencements sont envisageables selon le mode de fonctionnement requis pour l'installation. Ainsi, les moyens de restriction 11 peuvent comprendre, en lieu et place de la simple restriction 14 fixe précitée, une vanne 15 à actionnement externe comme illustré à la figure 3. Un tel agencement permet notamment d'accroître l'efficacité du reflux du cryogène liquide et de commander le redémarrage du transfert du cryogène liquide vers le réservoir principal 1 et la reprise du refroidissement du dispositif supraconducteur 4. REVENDICATIONS 1. Installation de refroidissement cryogénique pour dispositif supraconducteur, comprenant: - un réservoir (1) pour un fluide cryogène biphasique dans lequel est immergé un dispositif supraconducteur (4) à refroidir, - un conduit (5) d'alimentation en fluide cryogène fonctionnellement associé au réservoir (1) pour son 10 alimentation en fluide cryogène, - des moyens (6) de commande d'alimentation en fluide cryogène disposés dans ledit conduit (5) d'alimentation, et - un collecteur de sortie (7a) raccordé audit réservoir 15 (1), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: - un réservoir auxiliaire (9) et - un conduit (10) de raccordement hydrostatique interposé entre les fonds respectifs des réservoirs 20 principal (1) et auxiliaire (9), - ledit réservoir auxiliaire (9) étant disposé par rapport au réservoir principal (1) et étant dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide (2) dans le réservoir principal (1), - le susdit conduit (5) d'alimentation en fluide cryogène étant raccordé au réservoir auxiliaire (9), - un collecteur de sortie (7b) étant raccordé au réservoir auxiliaire (9), - des moyens de restriction (11) étant incorporés dans le collecteur de sortie (7a) raccordé au réservoir principal (1), ce grâce à quoi, en présence d'un échauffement rapide du dispositif supraconducteur, du fluide cryogène à l'état liquide présent dans le réservoir principal est refoulé, sous l'action de la pression du fluide cryogène vaporisé, dans le réservoir auxiliaire d'où il s'écoule à nouveau par gravité vers le réservoir principal lorsque la pression du fluide vaporisé diminue. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir auxiliaire (9) est 10 disposé sensiblement plus haut que le réservoir principal (1). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que des moyens (8) de détection du niveau du fluide cryogène liquide (12) sont disposés dans le réservoir auxiliaire (9). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de restriction (11) comprennent une restriction (14). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de restriction (11) comprennent une vanne (15) à commande externe.