Brevet FR3064730A1 — publié le 20181005

L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un fluide cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement d'un flux de fluide cryogénique, notamment pour la condensation d'un gaz au sein d'un mélange de fluide(s) (gaz et/ou liquide), le dispositif comprenant un cryo- refroidisseur comportant une tête froide munie d'une surface d'échange, la surface d'échange de la tête froide étant en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse de matériau conducteur thermique, la masse de matériau conducteur étant en échange thermique avec le flux de fluide cryogénique à refroidir. L'invention concerne en particulier un dispositif de refroidissement d'un fluide cryogénique composé d'un mélange gazeux ou pour partie liquide. En particulier, l'invention peut concerner avantageusement la condensation de néon au sein d'un flux de mélange d'hélium et de néon dans lequel le mélange est amené à proximité du point triple du Néon (24,5 K). Cette invention peut être appliquée à tout type de mélange pour lequel on souhaite refroidir, voire condenser, un ou plusieurs constituants, par échange thermique avec une surface froide plane. Cette invention présente une surface d'échange développée élevée dans un encombrement restreint. Les solutions connues de dispositifs de refroidissement pour réaliser une telle condensation, bien que satisfaisantes, sont soit coûteuses/complexes soit ont une efficacité insuffisante. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend une conduite d'amenée d'un flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse de matériau conducteur et une conduite de récupération du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse de matériau conducteur. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3064730 2 - la masse de matériau conducteur est constituée au moins en partie d'un matériau métallique, notamment du cuivre, d'un alliage de cuivre, d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, - la masse de matériau conducteur est mise au contact de la surface 5 d'échange de la tête froide et une couche de dorure et/ou d'alliage d'or et/ou d'indium et/ou de graisse thermique est interposée entre la masse de matériau conducteur et la surface d'échange de la tête froide - au moins l'une des surfaces en contact de la masse de matériau conducteur et de la surface d'échange de la tête froide comportent chacune une 10 dorure ayant une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 100 pm, - le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend un serpentin véhiculant le flux de fluide à refroidir, ledit serpentin étant enroulé autour de la masse de matériau conducteur entre la conduite d'amenée et la conduite de récupération, 15 - le serpentin est enroulé autour de la masse de matériau conducteur d'une première extrémité inférieure opposée à la surface d'échange à une seconde extrémité supérieur adjacente à la surface d'échange, - le serpentin est constitué d'un conduit en matériau conducteur thermique, notamment métallique, en particulier du cuivre, d'un alliage de cuivre, d'aluminium 20 ou d'un alliage d'aluminium, - le serpentin est fixé par brasage sur la masse de matériau conducteur et/ou par soudage et/ou accrochage mécanique notamment serrage mécanique, - les spires du serpentin enroulé autour de la masse de matériau conducteur sont logées dans des gorges respectives formées sur la surface 25 périphériques de la masse de matériau conducteur, - la masse de matériau conducteur comprend au moins l'un parmi, au moins un alésage ou taraudage prévu pour une vis de fixation sur la tête froide, au moins un alésage prévu pour un capteur de température, au moins un alésage prévu pour un organe de chauffage tel qu'une résistance chauffante, 30 - la masse de matériau conducteur a une forme générale d'un cylindre dont l'axe longitudinal central et les génératrices sont perpendiculaires à la surface d'échange de la tête froide. 3064730 3 L'invention concerne également un procédé de condensation de néon au sein d'un flux de mélange gazeux contenant du néon et de l'hélium sous forme gazeuse dans lequel le flux de gaz est refroidi dans un dispositif selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous à une température 5 inférieure ou égale à la température de condensation du néon. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : 10 - la figure 1 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un exemple de dispositif de refroidissement selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe transversale selon la ligne BB de la figure 1, 15 - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale verticale selon la ligne AA de la figure 2. Le dispositif 1 de refroidissement illustré aux figures comprend un cryo- refroidisseur 2 comportant une tête froide 3 munie d'une surface 4 d'échange terminale. 20 La surface 4 d'échange de la tête froide 3, par exemple forme un disque en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse 5 de matériau conducteur thermique. La masse 5 de matériau conducteur a par exemple une forme générale cylindrique dont l'extrémité (face supérieure) est en contact avec l'extrémité 4 25 terminale de la tête 3 froide. Par exemple, la masse 5 de matériau conducteur est constituée au moins en partie d'un matériau métallique, par exemple du cuivre ou de l'aluminium ou d'un alliage de cuivre ou d'aluminium. Le contact entre la tête 4 froide et la masse 5 peut être réalisé par serrage 30 mécanique, par brasage (alliage d'apport à base d'étain ou d'argent par exemple) ou par soudage. De préférence, le contact entre la tête froide et la masse 5 est réalisé par serrage mécanique. Par exemple, comme illustré aux figures 2 et 3, la masse 5 de 3064730 4 matériau conducteur peut comprendre une pluralité d'alésages ou de taraudages 11 disposés autour du centre de la masse et prévus pour des vis de fixation sur la tête 3 froide. Au moins une partie du reste du corps de la masse 5 de matériau 5 conducteur est en échange thermique avec le flux de fluide cryogénique à refroidir. Le dispositif 1 comprend un circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend une conduite 6 d'amenée d'un flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse 5 de matériau conducteur et une conduite 7 de 10 récupération ou d'évacuation du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse 5 de matériau conducteur. Selon une particularité avantageuse, la masse 5 de matériau conducteur peut être mise au contact de la surface 4 d'échange de la tête froide 3 en interposant une couche 8, 9 d'un matériau améliorant significativement la 15 résistance de contact entre 4 et 5 (dorure par dépôt électrochimique ou remplisseur (« fillers »)' d'alliages d'or ou d'indium par exemple et/ou de graisse thermique) entre la masse 5 de matériau conducteur et la surface 4 d'échange de la tête froide 3. La graisse thermique peut être par exemple un matériau du type graisse 20 pour usage à vide poussé. Par exemple, les deux surfaces en contact de la masse 5 de matériau conducteur et de la surface 4 d'échange de la tête froide 3 peuvent comporter chacune une couche ou dorure ayant une épaisseur comprise entre 0.1 pm et 100pm. Bien entendu, en variante une seule couche de dorure peut également 25 être prévue sur l'une des deux faces. Ceci permet de diminuer la résistance de contact avec la surface froide. L'efficacité du dispositif 1 est améliorée. De plus, ceci limite également les risques de corrosion/d'oxydation locale. Comme illustré, le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend 30 avantageusement un serpentin 10 véhiculant le flux de fluide à refroidir entre les conduites d'amenée 6 et de récupération 7. Le serpentin 10 est enroulé autour de la masse 5 de matériau conducteur entre la conduite 6 d'amenée et la conduite 7 de récupération. 3064730 5 De préférence, le serpentin 10 est enroulé autour de la masse 5 de matériau conducteur d'une première extrémité inférieure opposée à la surface 4 d'échange à une seconde extrémité supérieur adjacente à la surface 4 d'échange (c'est-à-dire de base en haut sur la figure 1). C'est-à-dire que, selon le sens de 5 circulation du fluide dans le serpentin 10, le fluide se rapproche de la tête froide 3 en parcourant la surface périphérique de la masse 5 de matériau conducteur. De préférence, le serpentin 10 est constitué d'un conduit en matériau conducteur thermique, notamment métallique, en particulier du cuivre (ou d'un alliage de cuivre) ou d'aluminium (ou d'un alliage d'aluminium). 10 De plus, le serpentin 10 peut être fixé par brasage (à base d'étain ou d'argent), soudage mécanique ou système de maintien mécanique (par exemple un carter extérieur en montage serré entourant le serpentin périphérique), sur la masse 5 de matériau conducteur. En outre, et comme visible à la figure 3, les spires du serpentin 10 enroulé 15 autour de la masse 5 de matériau conducteur peuvent être logées dans des gorges respectives formées sur la surface périphérique de la masse 5 de matériau conducteur. Cette structure permet une importante efficacité des échanges. En particulier, les matériaux de la masse 5 et du serpentin 10 peuvent être 20 sélectionnés pour présenter une conductivité thermique maximale aux températures de fonctionnement dans le cas notamment du cuivre (forte hausse de conductivité thermique entre 4K et 40K) ou de l'aluminium, et ainsi de minimiser les résistances thermiques associées. L'échangeur peut être fabriqué, par exemple, au moins en partie à l'aide de 25 brasure Argent ou Etain: Cuivre type CuC1 (serpentin) sur Cuivre type CuC2 (masse), par exemple. Comme visible à la figure 3, un alésage 12 ou trou borgne peut être prévu pour loger un capteur de température. Le capteur de température peut être prévu pour la régulation d'un organe 30 de chauffage tel qu'une résistance chauffante logé dans un alésage 13 central pour réguler finement la température de la masse 5 et donc contrôler la température de refroidissement. 3064730 6 Ainsi, tout en étant de structure simple et fiable, le dispositif présente une grande efficacité, notamment pour condenser du néon contenu dans un flux d'hélium et de néon. 5 REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement d'un flux de fluide cryogénique, notamment pour la condensation d'un gaz au sein d'un mélange de fluide(s) (gaz et/ou liquide), le dispositif (1) comprenant un cryo-refroidisseur (2) comportant une tête froide (3) munie d'une surface (4) d'échange, la surface (4) d'échange de la tête froide (3) étant en échange thermique avec un échangeur de chaleur comprenant une masse (5) de matériau conducteur thermique, la masse (5) de matériau conducteur étant en échange thermique avec le flux de fluide cryogénique à refroidir, caractérisé en ce que le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend une conduite (6) d'amenée d'un flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse (5) de matériau conducteur et une conduite (7) de récupération du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse (5) de matériau conducteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse (5) de matériau conducteur est constituée au moins en partie d'un matériau métallique, notamment du cuivre, d'un alliage de cuivre, d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la masse (5) de matériau conducteur est mise au contact de la surface (4) d'échange de la tête froide (3) et en ce qu'une couche (8, 9) de dorure et/ou d'alliage d'or et/ou d'indium et/ou de graisse thermique est interposée entre la masse (5) de matériau conducteur et la surface (4) d'échange de la tête froide (3). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces en contact de la masse (5) de matériau conducteur et de la surface (4) d'échange de la tête froide (3) comportent chacune une dorure ayant une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 100 pm. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de fluide cryogénique à refroidir comprend un serpentin (10) véhiculant le flux de fluide à refroidir, ledit serpentin (10) étant enroulé autour de la masse (5) de matériau conducteur entre la conduite (6) d'amenée et la conduite (7) de récupération. 3064730 8 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le serpentin (10) est enroulé autour de la masse (5) de matériau conducteur d'une première extrémité inférieure opposée à la surface (4) d'échange à une seconde extrémité supérieur adjacente à la surface (4) d'échange. 5 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le serpentin (10) est constitué d'un conduit en matériau conducteur thermique, notamment métallique, en particulier du cuivre, d'un alliage de cuivre, d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le serpentin 10 (10) est fixé par brasage sur la masse (5) de matériau conducteur et/ou par soudage et/ou accrochage mécanique notamment serrage mécanique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les spires du serpentin (10) enroulé autour de la masse (5) de matériau conducteur sont logées dans des gorges respectives formées 15 sur la surface périphériques de la masse (5) de matériau conducteur. 10.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la masse (5) de matériau conducteur comprend au moins l'un parmi, au moins un alésage ou taraudage (11) prévu pour une vis de fixation sur la tête (3) froide, au moins un alésage (12) prévu pour un 20 capteur de température, au moins un alésage (13) prévu pour un organe de chauffage tel qu'une résistance chauffante. 11.Procédé de condensation de néon au sein d'un flux de mélange gazeux contenant du néon et de l'hélium sous forme gazeuse dans lequel le flux de gaz est refroidi dans un dispositif selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 10 à une température inférieure ou égale à la température de condensation du néon.