Brevet FR2981442A1 — publié le 20130419

- 1 - DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des équipements et des installations de mesure et d'imagerie utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN), en particulier les techniques de RMN dites LTMAS (Low Temperature Magic Angle Spinning - Rotation à l'angle magique et à basse température). L'invention a plus particulièrement comme objet un dispositif d'alimentation en gaz froids d'un appareil ou d'une installation RMN du type précité, ainsi qu'une installation correspondante. Certaines sondes de mesure du type RMN LT MAS fonctionnent avec des gaz très froids à des températures proches de l'azote liquide (77,3 K). Ces gaz assurent le guidage et la rotation de l'échantillon généralement contenu dans un petit tube appelé rotor inséré dans un stator, mais aussi le refroidissement de cet échantillon. A cet effet, on utilise trois flux gazeux distincts, généralement désignés par : "VT" (gaz de refroidissement de l'échantillon), "Bearing" (palier) et "Drive" (entraînement). Ces gaz ont traditionnellement des pressions de 1 à 4 bars et les débits typiques varient de 20 à 60 Nl/minute. La pression et le débit dépendent de la vitesse de rotation de l'échantillon programmée par l'utilisateur. Habituellement, ces gaz précités, provenant de bouteilles, bidons ou réservoirs analogues à température ambiante, sont refroidis en passant dans trois échangeurs (un par gaz) contenus dans trois chambres pressurisées remplies en partie avec de l'azote liquide. La pression interne de chaque chambre est régulée et maintenue constante par un contrôleur électronique. Le contrôleur régule la pression interne des chambres en agissant sur la puissance de chauffage de résistances chauffantes plongées dans l'azote liquide des chambres. Une pression constante de l'azote liquide dans la chambre en équilibre avec sa vapeur signifie que la température de l'azote liquide dans la chambre est constante. On contrôle de cette manière la température d'ébullition de l'azote liquide de chaque chambre. Pour une rotation correcte du rotor MAS, il est indispensable de fournir des gaz secs ne contenant pas de gaz liquéfiés. - 2 - Cet ensemble mécanique constitué par ces trois échangeurs constitue un dispositif d'alimentation en gaz froids, communément appelé dispositif de refroidissement LTMAS. Un exemple d'un tel dispositif est décrit dans le document 5 FR-A-2 926 629. Ces dispositifs de refroidissement connus fonctionnent parfaitement, mais présentent l'inconvénient de consommer une assez grande quantité d'azote liquide. Ainsi, la consommation peut atteindre 20 l/hr, soit 480 litres par 10 jour quand la vitesse de rotation du rotor est élevée. La consommation totale d'azote liquide est directement proportionnelle à la pression interne des chambres contenant les échangeurs. Or, la pression de chaque chambre est fonction de la vitesse de rotation du rotor. Une vitesse de rotation élevée est obtenue avec des débits 15 de gaz plus importants en particulier pour les gaz "Drive" et "Bearing". Les surfaces d'échange thermique des chambres sont dimensionnées pour pouvoir évacuer la puissance thermique maximale. Bien évidemment, une consommation d'azote liquide importante entraîne une augmentation notable du coût de fonctionnement de 20 l'installation et nécessite une manipulation fréquente de réservoirs d'azote liquide par l'utilisateur du dispositif Pour assurer le fonctionnement permanent du dispositif 24h/24h, l'utilisateur doit typiquement mettre en place deux fois par jour un bidon de 200 litres rempli d'azote liquide, ce en vue de maintenir le niveau constant dans le réservoir d'azote principal dans 25 lequel sont disposées les chambres renfermant les échangeurs. La présente invention a pour but de surmonter les inconvénients précités, en fournissant une solution permettant de réduire de façon significative la consommation d'azote liquide dans les dispositifs précités. 30 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation en gaz froid d'une installation ou d'un appareil d'analyse RMN équipé d'une sonde de mesure, lesdits gaz froids assurant le refroidissement de l'échantillon contenu dans la sonde, mais également sa sustentation et son entraînement en rotation, ledit dispositif d'alimentation comprenant 35 essentiellement un réservoir isolé contenant du gaz liquide à température d'ébullition et dans lequel sont disposés des échangeurs traversés par les - 3 - flux de gaz à refroidir, ces échangeurs étant connectés à une ou des lignes de transfert acheminant les gaz refroidis vers la sonde, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un échangeur additionnel assurant un prérefroidissement du flux de gaz concerné avant son acheminement vers l'échangeur correspondant, ledit ou chaque échangeur additionnel se présentant sous la forme d'un échangeur à double flux alimenté soit par la vapeur gazeuse produite par l'ébullition du gaz liquide dans le réservoir, soit par le gaz froid évacué hors de la sonde ou s'échappant au niveau de la sonde. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique et de principe du dispositif d'alimentation selon l'invention ; la figure 2 est une vue en élévation latérale et en coupe d'un dispositif d'alimentation selon un mode de réalisation avantageux de l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe de l'unité structurelle formée 20 par l'arrangement des échangeurs additionnels selon une variante préférée du dispositif représenté figures 1 et 2 (seul l'échangeur additionnel pour le gaz de refroidissement de l'échantillon est représenté en totalité), et, la figure 4 est une représentation schématique partielle d'une installation de mesure RMN (seule la structure enveloppante de la sonde est 25 représentée), montrant les branchements fluidiques la reliant à un dispositif d'alimentation tel que représenté aux figures let 2. Ces dernières figures montrent un dispositif 1 d'alimentation en gaz froid d'une installation ou d'un appareil d'analyse RMN 2 équipé d'une sonde de mesure 3, lesdits gaz froids assurant le refroidissement de 30 l'échantillon 3' contenu dans la sonde, mais également sa sustentation et son entraînement en rotation. Ce dispositif d'alimentation 1 comprend essentiellement un réservoir isolé 4 contenant du gaz liquide 5 à température d'ébullition et dans lequel sont disposés des échangeurs 6, 6', 6" traversés par les flux de gaz à refroidir, ces échangeurs étant connectés à 35 une ou des lignes de transfert 7, 7', 7" (isolées ou sous vide) acheminant les gaz refroidis vers la sonde. - 4 - Conformément à l'invention, ce dispositif 1 comprend également au moins un échangeur additionnel 8, 8', 8" assurant un prérefroidissement du flux de gaz concerné avant son acheminement vers l'échangeur 6, 6', 6" correspondant, ledit ou chaque échangeur additionnel 8, 8', 8" se présentant sous la forme d'un échangeur à double flux alimenté soit par la vapeur gazeuse 5' produite par l'ébullition du gaz liquide 5 dans le réservoir 4, soit par le gaz froid 9 évacué hors de la sonde ou s'échappant au niveau de la sonde 3. L'invention permet ainsi de récupérer au moins une partie des frigories des gaz froids non exploités actuellement et destinés à être évacués dans l'atmosphère. Le prérefroidissement résultant du gaz concerné entraîne une diminution de la puissance thermique à transférer par l'échangeur 6, 6', 6" correspondant et donc une réduction du besoin de réfrigération par l'azote liquide 5 (dans lequel les échangeurs 6, 6', 6" sont disposés, généralement à l'intérieur de chambres 6"' contrôlées en température et en pression). Ce concept de base de l'invention peut être appliqué à un seul des trois gaz froids (celui nécessitant le refroidissement le plus intense), à deux des trois gaz froids ou préférentiellement aux trois gaz froids. Dans ce dernier cas, il est prévu qu'à chaque échangeur 6, 6', 6" est associé, en amont par rapport au flux gazeux concerné, un échangeur additionnel de prérefroidissement 8, 8', 8", comme le montre la figure 1. En accord avec une caractéristique de l'invention, l'échangeur additionnel 8 assurant le prérefroidissement du gaz froid destiné à refroidir l'échantillon 3' est alimenté en vapeur gazeuse 5' produite par l'ébullition du gaz liquide 5 dans le réservoir 4 et les échangeurs additionnels 8' et 8" assurant le prérefroidissement des gaz froids destinés à assurer respectivement la sustentation et la rotation de l'échantillon 3' sont alimentés par les gaz 9 évacués ou s'échappant au niveau de la sonde 3. On assure ainsi la fourniture de gaz secs pour la sustentation et la mise en rotation de la sonde 3, même après un arrêt prolongé de l'installation 2. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, aboutissant à un transfert thermique efficace et ressortant de la figure 3 des dessins annexés, chaque échangeur additionnel 8, 8', 8" est constitué par un arrangement de deux conduits ou tubes 10, 10' concentriques, dont l'un 10 est traversé par le flux du gaz à prérefroidir, préférentiellement le tube ou - 5 - conduit interne, et dont l'autre 10' est traversé par le flux du gaz refroidissant formé par la vapeur gazeuse 5' d'ébullition du gaz liquide 5 du réservoir 4 ou par les gaz 9 évacués ou s'échappant au niveau de la sonde 3. En vue d'aboutir à une exploitation optimale du pouvoir 5 frigorifique des vapeurs gazeuses 5' et des gaz d'échappement 9, avec un prérefroidissement progressif, chaque échangeur additionnel 8, 8', 8" est avantageusement un échangeur à contre courant ou à flux opposés. Selon une variante constructive avantageuse de l'invention, ressortant des figures 2 et 3, et permettant d'aboutir à une solution simple, 10 compacte et optimisée thermiquement, les trois échangeurs additionnels 8, 8', 8" sont regroupés en une unique unité structurelle 11, par exemple sous la forme d'un unique serpentin 11 constitué par un arrangement entrelacé de trois formations tubulaires hélicoïdales 10, 10' correspondant chacune à l'un des trois échangeurs additionnels 8, 8', 8". 15 Préférentiellement, comme le montre la figure 2, les échangeurs additionnels 8, 8', 8", préférentiellement regroupés structurellement en une seule unité 11 logée dans un boîtier 11' isolé, sont au moins partiellement disposés dans la partie supérieure 4' du réservoir 4 renfermant le gaz liquide 5 et les échangeurs 6, 6', 6", en étant avantageusement montés dans un 20 couvercle 4" fermant ledit réservoir 4. Un exemple de réalisation pratique non limitatif va à présent être décrit en détail et en relation avec les figures 1 à 4 des dessins annexés. Comme indiqué précédemment, l'invention vise à réduire la consommation en gaz liquide (généralement de l'azote) dans les 25 installations RMN, en particulier celles utilisant des sondes LTMAS, et à cette fin le moyen général mis en oeuvre consiste à prérefroidir tous les gaz MAS avant de les faire passer dans les différents échangeurs 6, 6', 6". A cet effet, l'invention exploite le pouvoir de refroidissement jusqu'à présent inutilisé de tous les gaz froids produits lors du 30 fonctionnement du dispositif d'alimentation 1 et de la sonde RMN 3. Dans les installations actuelles, deux sources de gaz froids aisément exploitables ont pu être relevées : 1) Lors du fonctionnement du dispositif d'alimentation 1, il se produit en permanence une ébullition de l'azote liquide 5 dans le réservoir 35 principal 4, provoquée par le refroidissement des gaz MAS dans les chambres 6' et le transfert de chaleur vers l'extérieur de ces chambres. Ce gaz (azote) très froid, est communément appelé « boil-off ». Il est inutilisé - 6 - dans la construction actuelle de ces dispositifs d'alimentation et il est simplement rejeté à l'air libre par des tubes débouchant sur le haut du dispositif. 2) Dans la sonde RMN LTMAS, les gaz froids "VT", "Bearing" et "Drive" en quittant le stator 3" se mélangent dans le volume interne de l'enveloppe externe 2' de la sonde 3. Le mélange gaz froid résultant est rejeté hors de la sonde à l'atmosphère par un tube d'échappement débouchant du boitier de base de la sonde. L'enveloppe constituant l'enveloppe externe 2' de la sonde est bien isolée thermiquement et par conséquent le gaz d'échappement reste à basse température. La température du gaz en sortie, simplement évacué dans l'air actuellement, peut être comprise entre 120 à 140K en fonctionnement permanent. Comme le montrent les figures 2 et 4, il est prévu selon l'invention une canne de transfert 12' des gaz MAS vers la sonde 3 qui est fixée sur le boîtier 11' isolé par un vide interne. Avantageusement, entre le couvercle et le réservoir se trouve un joint d'étanchéité et le couvercle est maintenu sur le réservoir d'azote liquide par des brides. Dans son mode de réalisation préféré, l'invention prévoit trois prérefroidisseurs 8, 8', 8" pour les gaz "VT", "Bearing" et "Drive". Chaque échangeur additionnel formant prérefroidisseur de gaz est un échangeur à contre-courant, dont la construction est dite "tube dans tube" et qui présente une forme hélicoïdale. Dans le tube interne 10 (par exemple de 8 mm) circule le gaz à refroidir de haut en bas (Figures 1 et 3). Dans la section annulaire comprise entre le tube interne 10 et le tube externe 10' (par exemple de 16 mm) circule le gaz froid de prérefroidissement de bas en haut. Par exemple, le gaz "VT" entre à température ambiante et le gaz froid de prérefroidissement est évacué à l'air en partie haute du serpentin de la figure 3. Le gaz VT prérefroidi sort en bas du serpentin 11 et passe ensuite dans l'échangeur 6. Les trois prérefroidisseurs 8, 8', 8" pour les gaz "VT", "Bearing" et "Drive" sont contenus dans le boîtier 11'. Sur la figure 3, G1 représente le flux de gaz VT à température ambiante, G1' représente le flux de gaz VT prérefroidi, G2 représente le flux de vapeur de gaz 5' évacué depuis la partie supérieure 4' du réservoir 4 et G2' représente le flux de vapeur de gaz 5' s'échappant dans l'environnement. - 7 - Les entrées des trois échangeurs additionnels formant prérefroidisseurs sont alimentées par les deux sources de gaz froids indiqués ci-dessus. Plus précisément : 1) Le gaz "VT" est prérefroidi par le gaz (azote) froid "boil- off " 5' produit dans le réservoir 4 d'azote liquide 5 dans lequel sont plongés les échangeurs 6, 6', 6". Ce gaz froid 5' passe par l'entrée 13 du conduit externe 10' de prérefroidissement. Dès que le contrôle de la pression des chambres 6"' est activé, c'est-à-dire dès que les pressions des chambres sont constantes, il se produit une ébullition dans le réservoir 4 autour des chambres et le gaz froid produit (vapeur gazeuse 5') passe par le circuit formé par le tube externe 10' de l'échangeur additionnel 8. 2) Les gaz froids en sortie des échangeurs 6, 6', 6" sont dirigés vers la sonde par la canne de transfert 12' qui est accouplée à une ligne de transfert interne isolée 14, logée dans la partie basse de la sonde 3. Les gaz ressortent de la ligne interne près du stator 3". Le gaz "BEARING" assure la sustentation, le gaz "DRIVE" l'entraînement du rotor et le gaz "VT" refroidit la partie centrale du tube échantillon 3'. 3) La sonde RMN 3 est isolée thermiquement par une double paroi sous vide 2'. En ressortant du stator 3", les trois gaz se mélangent dans 20 le volume interne de la sonde 3 et sortent par le tube d'échappement, débouchant à l'extérieur du boitier bas de la structure de la sonde. La canne de retour flexible 12 isolée par le vide insérée dans le tube d'échappement 15 de la sonde de mesure RMN est retenue par exemple par un écrou et un joint torique. L'autre extrémité de la canne peut 25 être emmanchée dans un adaptateur 16 fixé sous le couvercle 4" du réservoir 4 d'azote liquide 5. Elle est maintenue en place par exemple par un écrou et un joint d'étanchéité. L'adaptateur distribue le gaz froid (gaz évacués de la sonde) vers les deux entrées des deux prérefroidisseurs 8' et 8" par deux tubes en 30 plastique. 4) La surface d'échange thermique de chaque chambre 6' est la partie supérieure non isolée thermiquement qui sert à transférer la puissance thermique vers l'extérieur de la chambre, c'est-à-dire vers l'azote liquide 5 du réservoir 4. La surface d'échange de chaque chambre 6"' a pu être 35 réduite de 50 % environ par rapport à la version d'origine sans pré refroidissement. Cette diminution de surface à été rendue possible car la - 8 - puissance thermique à évacuer dans chaque chambre est plus faible, en raison du pré refroidissement des gaz MAS. Grâce aux dispositions spécifiques de l'invention, il a été possible de réduire de façon très significative la consommation d'azote 5 liquide. Avec un prototype, on a pu mesurer une consommation de 6.5 1/LN2 par heure (avec un rotor de 3.2 mm tournant à 8 KHz). On obtient ainsi une réduction de plus de 50 % environ par rapport à la consommation mesurée sur un dispositif d'alimentation équivalent connu, ne présentant pas les caractéristiques de l'invention telle que ressortant de la description ci-10 dessus). La réduction de la consommation de d'azote liquide réduit le nombre de manipulations de bidons d'azote liquide auxiliaires utilisés pour maintenir le niveau d'azote liquide constant dans le réservoir principal. Grâce à l'invention, il y a donc moins d'opérations de mises en 15 place et de branchements de bidons à réaliser chaque jour. Ainsi, un seul bidon de 200 litres de LN2 suffit à assurer le fonctionnement en continu pendant 24 heures pour des vitesses de rotation du rotor modérées, c'est-à-dire inférieure à 10 KHz avec une sonde équipée d'un rotor de 3,2 mm. L'invention a également pour objet une installation de mesure 20 RMN, en particulier du type à sonde LT MAS, dans laquelle la sonde est alimentée en gaz froids assurant le refroidissement, la sustentation et la rotation de l'échantillon, ladite installation comprenant et/ou étant reliée fluidiquement à un dispositif d'alimentation en gaz froids, acheminant ces gaz par l'intermédiaire de lignes d'alimentation respectivement 25 correspondantes, installation 2 caractérisée en ce que le dispositif d'alimentation est un dispositif d'alimentation 1 tel que décrit ci-dessus. Comme indiqué précédemment, cette installation 2 comprend avantageusement une canne de transfert 12 isolée thermiquement et 30 préférentiellement flexible, destinée à acheminer les gaz 9 évacués ou s'échappant de la sonde 3 vers le ou les échangeur(s) additionnel(s) 8', 8" concerné(s) et reliant le tube d'échappement 15 de la sonde 3 au réservoir 4 à gaz liquide 5. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de 35 réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers - 9 - éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1) Dispositif d'alimentation en gaz froid d'une installation ou d'un appareil d'analyse RMN équipé d'une sonde de mesure, lesdits gaz froids assurant le refroidissement de l'échantillon contenu dans la sonde, mais également sa sustentation et son entraînement en rotation, ledit dispositif d'alimentation comprenant essentiellement un réservoir isolé contenant du gaz liquide à température d'ébullition et dans lequel sont disposés des échangeurs traversés par les flux de gaz à refroidir, ces échangeurs étant connectés à une ou des lignes de transfert acheminant les gaz refroidis vers la sonde, dispositif (1) caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un échangeur additionnel (8, 8', 8") assurant un prérefroidissement du flux de gaz concerné avant son acheminement vers l'échangeur (6, 6', 6") correspondant, ledit ou chaque échangeur additionnel (8, 8', 8") se présentant sous la forme d'un échangeur à double flux alimenté soit par la vapeur gazeuse (5') produite par l'ébullition du gaz liquide (5) dans le réservoir (4), soit par le gaz froid (9) évacué hors de la sonde ou s'échappant au niveau de la sonde (3). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à chaque échangeur (6, 6', 6") est associé, en amont par rapport au flux 20 gazeux concerné, un échangeur additionnel de prérefroidissement (8, 8', 8"). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'échangeur additionnel (8) assurant le prérefroidissement du gaz froid destiné à refroidir l'échantillon (3') est alimenté en vapeur gazeuse (5') produite par l'ébullition du gaz liquide (5) 25 dans le réservoir (4) et en ce que les échangeurs additionnels (8' et 8") assurant le prérefroidissement des gaz froids destinés à assurer respectivement la sustentation et la rotation de l'échantillon (3') sont alimentés par les gaz (9) évacués ou s'échappant au niveau de la sonde (3). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que chaque échangeur additionnel (8, 8', 8") est constitué par un arrangement de deux conduits ou tubes (10, 10') concentriques, dont l'un (10) est traversé par le flux du gaz à prérefroidir, préférentiellement le tube ou conduit interne, et dont l'autre (10') est traversé par le flux du gaz refroidissant formé par la vapeur gazeuse (5') d'ébullition du gaz liquide (5)- 11 - du réservoir (4) ou par les gaz (9) évacués ou s'échappant au niveau de la sonde (3). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque échangeur additionnel (8, 8', 8") est un 5 échangeur à contre courant ou à flux opposés. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les trois échangeurs additionnels (8, 8', 8") sont regroupés en une unique unité structurelle (11), par exemple sous la forme d'un unique serpentin (11) constitué par un arrangement entrelacé de trois 10 formations tubulaires hélicoïdales (10, 10') correspondant chacune à l'un des trois échangeurs additionnels (8, 8', 8"). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les échangeurs additionnels (8, 8', 8"), préférentiellement regroupés structurellement en une seule unité (11) logée 15 dans un boîtier (11') isolé, sont au moins partiellement disposés dans la partie supérieure (4') du réservoir (4) renfermant le gaz liquide (5) et les échangeurs (6, 6', 6"), en étant avantageusement montés dans un couvercle (4") fermant ledit réservoir (4). 8) Installation de mesure RMN, en particulier du type à sonde 20 LT MAS, dans laquelle la sonde est alimentée en gaz froids assurant le refroidissement, la sustentation et la rotation de l'échantillon, ladite installation comprenant et/ou étant reliée fluidiquement à un dispositif d'alimentation en gaz froids, acheminant ces gaz par l'intermédiaire de lignes d'alimentation respectivement correspondantes, 25 installation (2) caractérisée en ce que le dispositif d'alimentation est un dispositif d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9) Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une canne de transfert (12) isolée thermiquement et 30 préférentiellement flexible, destinée à acheminer les gaz (9) évacués ou s'échappant de la sonde (3) vers le ou les échangeur(s) additionnel(s) (8', 8") concerné(s) et reliant le tube d'échappement (15) de la sonde (3) au réservoir (4) à gaz liquide (5).