Brevet FR3065064A1 — publié le 20181012

L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un fluide cryogénique. L'invention concerne en particulier un dispositif d'échange thermique (monophasique ou multiphasique) avec une source froide du type ayant une surface plane. 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 gaz, 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 20 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. 25 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 30 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 et en ce que la masse de matériau conducteur est logée dans un carter étanche comprenant une 3065064 2 entrée de fluide reliée à la conduite d'amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite de récupération, la masse de matériau conducteur étant constituée de tronçons adjacents formant des ailettes qui s'étendent chacun de la surface d'échange de la tête froide entre une première extrémité supérieure adjacente à la 5 surface d'échange de la tête froide et une seconde extrémité inférieure opposée. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les tronçons adjacents formant des ailettes s'étendent chacun selon une direction perpendiculaire à la surface d'échange de la tête froide, 10 - les tronçons adjacents sont séparés par des interstices respectifs qui s'étendent selon la direction perpendiculaire à la surface d'échange de la tête froide, - les interstices successifs sont reliés consécutivement les uns aux autres par des passages de fluide situés alternativement à proximité de la première 15 extrémité supérieure de la masse puis à proximité de la seconde extrémité inférieure, de sorte que le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d'amenée doit circuler séquentiellement dans un interstice dans un sens puis dans l'interstice suivant en changeant de sens, c'est-à-dire que, dans un premier interstice le flux de fluide circule selon une direction perpendiculaire à la surface d'échange et de la seconde extrémité inférieure vers la première extrémité supérieure, puis pénètre dans un second interstice au niveau de la première extrémité supérieure et circule dans ce second interstice de la première extrémité supérieure vers la seconde extrémité inférieure et ainsi de suite jusqu'à la conduite de récupération, - le circuit de fluide à l'intérieur du carter reliant l'entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant deux branches distinctes reliant l'entrée à la sortie, le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d'amenée circulant en direction de l'orifice de sortie en se subdivisant en deux portions circulant respectivement dans les deux branches, c'est-à-dire qu'une première portion du fluide circule dans une première branche en transitant dans un premier ensemble d'interstices correspondants tandis que la seconde portion du fluide circule dans la seconde branche en transitant dans l'autre ensemble d'interstices correspondants, 3065064 3 - le circuit de fluide à l'intérieur du carter reliant l'entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant un seul trajet et en ce que le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite d'amenée circule en direction de l'orifice de sortie forme un seul flux circulant dans un sens prédéterminé dans la 5 boucle, c'est-à-dire que le flux transite séquentiellement dans tous les interstices avant de rejoindre la conduite de sortie, - 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, les interstices étant formés radialement entre l'axe 10 longitudinal central du cylindre et sa périphérie, - les tronçons adjacents sont disposés de façon régulièrement réparties autour et d'un axe longitudinal central perpendiculaire à la surface d'échange, - la conduite d'amenée débouche dans le carter de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse de matériau conducteur, 15 - la conduite de récupération débouche dans le carter de façon adjacente à la première extrémité supérieure ou de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse de matériau conducteur, - 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 20 d'un alliage d'aluminium, - la masse de matériau conducteur est mise au contact de la surface d'échange de la tête froide, une couche de dorure et/ou de graisse thermique et/ou d'un remplisseur en matériau conducteur thermique, étant interposée entre la masse de matériau conducteur et la surface d'échange de la tête froide, 25 - les surfaces en contact de la masse de matériau conducteur et de la surface d'échange de la tête froide comportent chacune une dorure ayant une épaisseur comprise entre 0.1 pm et 100 pm, - les entrée et sortie de fluide reliées respectivement avec les conduite d'amenée et de récupération sont disposés de façon diamétralement opposée de 30 part et d'autre de l'axe longitudinal central du cylindre, 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 3065064 4 quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous à une température 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. 5 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue de côté, schématique et partielle d'une coupe verticale d'un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de refroidissement selon l'invention, 10 - les figures 2 et 3 représentent des vues en coupes transversales, schématiques et partielles, selon respectivement les lignes AA et BB de la figure 1, - la figure 4 représente une vue en perspective, schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif de la figure 1. 15 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. 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 20 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 terminale de la tête 3 froide. Par exemple, la masse 5 de matériau conducteur est constituée au moins 25 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 mécanique, par exemple par brasage (alliage d'apport à base d'étain ou d'argent par exemple) ou par soudage. Par exemple, comme illustré aux figures 2 et 3, la 30 masse 5 de matériau conducteur peut comprendre une pluralité d'alésages 111 disposés autour du centre de la masse et prévus pour des vis de fixation sur la tête 3 froide. 3065064 5 Au moins une partie du reste du corps de la masse 5 de matériau conducteur est en échange thermique (de préférence par contact direct) avec le flux de fluide cryogénique à refroidir. Le dispositif 1 comprend un circuit de fluide cryogénique à refroidir 5 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 qui collecte du flux de fluide ayant échangé thermiquement avec la masse 5 de matériau conducteur. La masse 5 de matériau conducteur est logée dans un carter 12 étanche. 10 C'est-à-dire que le carter 12 délimite un volume dans lequel intervient l'échange (contact) entre le flux de fluide à refroidir et la masse 5 de matériau refroidie par la tête 4 froide. Le carter 12 comprend une entrée de fluide reliée à la conduite 6 d'amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite 7 de récupération. 15 Le carter 12 peut être fermé hermétiquement autour de la masse 5 de matériau conducteur par brasage, soudage ou serrage mécanique par exemple. Le matériau constituant le carter 12 n'est pas nécessairement le même que celui constituant la masse 5. Une pièce 18 centrale peut être disposée dans un alésage 10 central de la 20 masse 5. Cette pièce 18 peut être un bloc de matière (une résistance électrique par exemple) monté serrée dans l'alésage 10, et dont la fonction peut être d'annuler tout passage ou bypass pour le fluide entre les tronçons d'ailettes adjacents. Le montage de cette pièce 18 peut être réalisé par frettage, par immersion cryogénique de la pièce 18 centrale puis insertion dans l'alésage 10 de 25 la masse 5 support maintenue à température ambiante par exemple lors du montage. La masse 5 de matériau conducteur est constituée de tronçons 15 adjacents formant des ailettes qui s'étendent chacun selon une direction perpendiculaire à la surface 4 d'échange de la tête froide 3 entre une première 30 extrémité supérieure adjacente à la surface 4 d'échange de la tête froide 3 (en haut sur la figure 1) et une seconde extrémité inférieure opposée (en bas sur la figure 1). 3065064 6 En variante possible (non représenté aux figures), les tronçons 15 adjacents formant des ailettes s'étendent chacun selon une direction parallèle à la surface 4 d'échange de la tête froide 3. Les tronçons 15 adjacents sont séparés par des interstices 11 respectifs qui 5 s'étendent selon la direction perpendiculaire à la surface 4 d'échange de la tête froide 3. Ces interstices 11 forment des passages pour le flux de fluide destiné à échanger thermiquement avec la masse 5. Comme illustré, les interstices 11 peuvent être agencés radialement autour d'un axe longitudinal central perpendiculaire à la surface d'extrémité de la tête 4 10 froide. Ces interstices 11 peuvent être créés par procédé industriel de découpe au fil ou laser par exemple. Ces interstices 11 successifs sont reliées consécutivement les uns aux autres par des passages 13 et 14 de fluide situés alternativement à proximité de la première extrémité supérieure de la masse 5 puis à proximité de la seconde 15 extrémité inférieure. Ainsi, le flux de fluide qui entre dans le carter 12 via la conduite 6 d'amenée doit circuler séquentiellement dans un interstice 11 dans un sens (par exemple du bas vers le haut à la figure 1) puis dans l'interstice 11 suivant en changeant de sens (du haut vers le bas à la figure 1). C'est-à-dire que, dans un premier interstice 11 le flux de fluide circule selon 20 une direction perpendiculaire à la surface 4 d'échange et de la seconde extrémité inférieure vers la première extrémité supérieure. Ensuite, le flux pénètre via le passage ou canal 14 dans un second interstice 11 au niveau de la première extrémité supérieure et circule dans ce second interstice 11 de la première extrémité supérieure vers la seconde extrémité inférieure et ainsi de suite jusqu'à 25 la conduite 7 de récupération. Les figures 2 et 3 illustrent un exemple de réalisation : les interstices 11 (disposés radialement autour d'un axe longitudinal central de la masse 5) sont reliés séquentiellement les uns aux autre par des passages situés alternativement en haut (cf. référence 14) puis en bas (cf. référence 13) de la masse. 30 Ceci est illustré également schématiquement à la figure 4 où le flux 17 venant de la gauche remonte un interstice 11 puis rejoint l'interstice adjacent vers la droite via un passage 14 supérieur puis redescend dans ce second interstice puis remonte dans le suivant et...Ainsi les passages 14, 13 contraignent le flux à 3065064 7 passer d'un interstice 11 à l'autre (dans le plan perpendiculaire aux interstices) en changeant de sens (de haut en bas ou de bas en haut) de circulation à chaque changement d'interstice 11. Cette structure crée des méandres dans les deux directions (verticale et 5 transversale) qui augmentent l'échange thermique du flux avec les ailettes de la masse 5 de matériau. Comme schématisé à la figure 5, selon un plan parallèle aux plans de coupe des figures 3 et 4, le circuit 17 de fluide à l'intérieur du carter 12 reliant l'entrée de fluide (symbolisée par la référence 6) à la sortie de fluide (symbolisée 10 par la référence 7) forme une boucle close comprenant deux branches 16, 26 distinctes reliant l'entrée 6 à la sortie 7. Le flux de fluide qui entre dans le carter via la conduite 6 d'amenée circule en direction de l'orifice 7 de sortie en se subdivisant en deux portions circulant respectivement dans les deux branches 16, 26. C'est-à-dire qu'une première portion du fluide circule une première branche 16 15 transite dans un premier ensemble d'interstices 15 correspondants tandis que la seconde portion du fluide circule dans la seconde branche 26 en transitant dans l'autre ensemble d'interstices 15 correspondants. Dans la variante de la figure 6 le circuit 17 de fluide à l'intérieur du carter 12 reliant l'entrée 6 de fluide à la sortie 7 de fluide forme une boucle close 20 comprenant un seul trajet. Ainsi, tout le flux de fluide qui entre dans le carter 12 via la conduite 6 d'amenée circule en direction de l'orifice 7 de sortie dans un sens prédéterminé dans la boucle. C'est-à-dire que le flux transite séquentiellement dans tous les interstices 15 avant de rejoindre la conduite 7 de sortie. Ces agencements permettent de diffuser un écoulement (notamment 25 diphasique) de façon homogène dans chaque canal/interstice 11. 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 résistance de contact entre 4 et 5 (dorure par dépôt électrochimique ou 30 remplisseurs « 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. 3065064 8 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 dorure ayant une épaisseur comprise entre 0.1 pm et 100 pm. Bien entendu, en variante une seule couche de dorure peut également être prévue sur 5 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 à long terme. Cette structure permet d'obtenir des conductivités thermiques extrêmement 10 fortes dans le cas notamment du cuivre (forte hausse de conductivité thermique pour le cuivre entre 4K et 40K) ou de l'aluminium, et ainsi de minimiser les résistances thermiques associées. Un alésage ou trou borgne (non représenté) peut être prévu pour loger un capteur de température. 15 Le capteur de température peut être prévu pour la régulation d'un organe 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. Ainsi, tout en étant de structure simple et fiable, le dispositif présente une 20 grande efficacité, notamment pour condenser du néon contenu dans un flux d'hélium et de néon. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement d'un flux de fluide cryogénique, notamment pour la condensation d'un gaz au sein d'un mélange de gaz, 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 et en ce que la masse (5) de matériau conducteur est logée dans un carter (12) étanche comprenant une entrée de fluide reliée à la conduite (6) d'amenée et une sortie de fluide reliée à la conduite (7) de récupération, la masse (5) de matériau conducteur étant constituée de tronçons (15) adjacents formant des ailettes qui s'étendent chacun de la surface (4) d'échange de la tête froide (3) entre une première extrémité supérieure adjacente à la surface (4) d'échange de la tête froide (3) et une seconde extrémité inférieure opposée. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons (15) adjacents formant des ailettes s'étendent chacun selon une direction perpendiculaire à la surface (4) d'échange de la tête froide (3). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tronçons (15) adjacents sont séparés par des interstices (11) respectifs qui s'étendent selon la direction perpendiculaire à la surface (4) d'échange de la tête froide (3). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les interstices (11) successifs sont reliés consécutivement les uns aux autres par des passages (14, 13) de fluide situés alternativement à proximité de la première extrémité supérieure de la masse (5) puis à proximité de la seconde 3065064 10 extrémité inférieure, de sorte que le flux de fluide qui entre dans le carter (12) via la conduite (6) d'amenée doit circuler séquentiellement dans un interstice (11) dans un sens puis dans l'interstice (11) suivant en changeant de sens, c'est-à-dire que, dans un premier interstice (11) le flux de fluide circule selon 5 une direction perpendiculaire à la surface (4) d'échange et de la seconde extrémité inférieure vers la première extrémité supérieure, puis pénètre (14) dans un second interstice (11) au niveau de la première extrémité supérieure et circule dans ce second interstice (11) de la première extrémité supérieure vers la seconde extrémité inférieure et ainsi de suite jusqu'à la conduite (7) 10 de récupération. 5. Dispositif l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que le circuit (17) de fluide à l'intérieur du carter (12) reliant l'entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant deux branches (16, 26) distinctes reliant l'entrée à la sortie, et en ce que le flux de fluide qui 15 entre dans le carter (12) via la conduite (6) d'amenée circule en direction de l'orifice (7) de sortie en se subdivisant en deux portions circulant respectivement dans les deux branches (16, 26), c'est-à-dire qu'une première portion du fluide circule dans une première branche (16) en transitant dans un premier ensemble d'interstices (15) correspondants tandis que la seconde 20 portion du fluide circule dans la seconde branche (26) en transitant dans l'autre ensemble d'interstices (15) correspondants. 6. Dispositif l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que le circuit (17) de fluide à l'intérieur du carter (12) reliant l'entrée de fluide à la sortie de fluide forme une boucle close comprenant un seul trajet et 25 en ce que le flux de fluide qui entre dans le carter (12) via la conduite (6) d'amenée circule en direction de l'orifice (7) de sortie forme un seul flux circulant dans un sens prédéterminé dans la boucle, c'est-à-dire que le flux transite séquentiellement dans tous les interstices (15) avant de rejoindre la conduite (7) de sortie. 30 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse (5) de matériau conducteur a une forme générale d'un cylindre dont l'axe longitudinal central et les génératrices sont perpendiculaires à la surface (4) d'échange de la tête froide (3) et en ce que 3065064 11 les interstices (15) sont formés radialement entre l'axe longitudinal central du cylindre et sa périphérie. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tronçons (15) adjacents sont disposés de façon régulièrement réparties autour et d'un 5 axe longitudinal central perpendiculaire à la surface (4) d'échange. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la conduite (6) d'amenée débouche dans le carter (12) de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse (5) de matériau conducteur. 10 10.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la conduite (7) de récupération débouche dans le carter (12) de façon adjacente à la première extrémité supérieure ou de façon adjacente à la seconde extrémité inférieure de la masse (5) de matériau conducteur. 15 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, 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. 12.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, 20 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 de graisse thermique et/ou d'un remplisseur en matériau conducteur thermique, est interposée entre la masse (5) de matériau conducteur et la surface (4) d'échange de la tête froide (3). 25 13.Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les 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. 14.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, 30 caractérisé en ce que les entrée et sortie de fluide reliées respectivement avec les conduite (6) d'amenée et de récupération (7) sont disposés de façon diamétralement opposée de part et d'autre de l'axe longitudinal central du cylindre. 3065064 12 15.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 revendications 1 à 13 à une température inférieure ou égale à la température 5 de condensation du néon.