[0001] La présente invention se rapporte au domaine de La cryogénie et plus spécialement
à des récipients cryogéniques.
[0002] D'une façon générale, La structure de tels récipients comporte essentiellement, comme
représenté en coupe sur La figure 1 : une enveloppe interne isotherme 1, contenant
le Liquide cryogénique ; une enveloppe externe isotherme 2, assurant l'isolement entre
L'enceinte interne et l'air ambiant ainsi que le maintien sous vide du cryostat ;
une troisième enveloppe 3, appelée col, qui relie L'enveLoppe interne et l'extérieur
et permet ainsi Le transfert du Liquide et Le dégagement des vapeurs.
[0003] IL convient bien évidemment de réaliser des récipients présentant des apports de
chaleur sur Le Liquide Les plus faibles possible afin d'assurer L'autonomie maximale
en Liquide. La réalisation des enveloppes nécessite donc l'utilisation de matériaux
ayant de bonnes caractéristiques mécanique, thermique et d'étanchéité à haute et basse
températures. Dans ces conditions, l'utilisation de matériaux composites, qui possèdent
de faibles conductivités thermiques, est recommandée car ils permettent de réaliser
des cols ayant une faible conduction thermique. Cependant, ces matériaux présentent
un inconvénient faisant obstacle à leur utilisation tels quels. Ils montrent en effet
une porosité non négligeable, notamment à l'hélium qui est l'un des fluides cryogéniques
les plus courants. Le fluide qui traverse une paroi en matériau composite est régit
par La relation :
Q = β T
y e-zt
dans LaqueLLe Q est Le flux, T La température absolue, t L'épaisseur de La paroi et
β, y, z des constantes dépendantes du gaz, du matériau de La paroi et de la différence
de pression.
[0004] Cette relation conduit à prévoir des enveloppes épaisses. Si cette solution peut
être adoptée pour les enveloppes interne et externe puisque La conduction thermique
n'est pas à considérer, Les enveloppes étant isothermes, il n'en est pas de même pour
le col où La conduction thermique doit être faible ; il faut donc choisir des enveloppes
de faibles épaisseurs, donc de porosité finie. La porosité des matériaux composites
a plusieurs origines : passage entre Les chaînes chimiques, porosité de La fibre,
mauvais accrochage entre le vérin et La fibre, présence de porosité ouverte Liée aux
conditions de polymérisation. Cette porosité se traduit par une entrée de gaz dans
L'espace sous vide et L'apparition d'un flux de chaleur entre Les parois à températures
différentes par conduction dans Le gaz.
[0005] Cela se traduit par une augmentation de La consommation du Liquide cryogénique, donc
une diminution de L'autonomie.
[0006] Actuellement, le moyen utilisé pour rendre ces matériaux composites étanches consiste
à réaliser des sandwiches, matériau composite 4, fibre métallique pulvérisée 5, matériau
composite 6, comme représenté sur La figure 2.
[0007] Cependant, cette solution est plus délicate à réaliser et plus coûteuse.
[0008] La présente invention a justement pour objet de pallier ces inconvénients en proposant
un dispositif cryogénique dont La tenue sous vide est meilleure malgré La diffusion
de vapeurs du fluide cryogénique à travers les parois.
[0009] Le dispositif objet de L'invention comporte, de manière connue, un récipient apte
à contenir un fluide cryogénique, ce récipient étant isolé thermiquement du milieu
ambiant et surmonté d'un coL sensiblement cylindrique, un matériau apte à absorber
Les vapeurs du fluide cryogénique diffusant à travers La paroi du col étant placé
en contact avec La paroi (8a) du récipient (8).
[0010] Selon l'invention, ce dispositif comporte en outre une enveloppe entourant au moins
le col et définissant un espace entre elle-même et Le col.
[0011] En général, La diffusion du gaz se produit dans La partie chaude du col cylindrique
surmontant Le récipient contenant Le liquide; l'espace situé entre La paroi du col
et l'enveloppe qui L'entoure met directement en communication Les vapeurs qui ont
traversé Le col avec le matériau absorbant. Les vapeurs ne diffusent pas dans L'espace
situé entre La paroi du récipient et La paroi extérieure du dispositif. Le vide est
ainsi maintenu tant que Le matériau absorbant conserve son efficacité.
[0012] Le matériau absorbant peut avantageusement être du charbon actif.
[0013] En raison des problèmes de rayonnements thermiques, il est avantageux de prévoir
un garnissage dans L'espace défini entre La paroi du col et l'enveloppe qui L'entoure.
Son rôle est de Limiter Le rayonnement thermique sans réduire La conductance au gaz.
[0014] Enfin, l'enveloppe qui entoure la paroi du col du dispositif peut être raccordée,
de manière étanche, à une autre enveloppe, placée autour du récipient contenant Le
Liquide cryogénique et qui épouse sensiblement La géométrie du récipient. L'espace
situé entre La paroi du récipient et son enveloppe externe est garni de matériau absorbant.
[0015] L'invention apparaîtra mieux à La Lecture de La description qui va suivre, donnée
à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins
annexés dans LesqueLs :
- Les figures 1 et 2, déjà décrites, sont respectivement des vues en coupe d'un cryostat
selon l'art antérieur et d'un moyen permettant de réaliser L'étanchéité d'un matériau
composite,
- La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un dispositif selon L'invention.
[0016] Si l'on se reporte à La figure 3, on voit que Le dispositif de L'invention se compose,
de manière classique, d'un récipient 7 constitué d'une partie inférieure 8 limitée
par une paroi 8a que surmonte un col 12, Lui- même constitué par une paroi 12a. Le
récipient 8 contient une masse 10 d'hélium liquide tandis que La partie supérieure
du col 12 est en communication avec l'atmosphère. Le récipient 8 et Le col 12 sont
entourés d'une paroi externe 14 et L'espace compris entre cette paroi externe d'une
part, Le récipient 8 et le col 12 d'autre part, est garni de couches super-isolantes
16. Le récipient 8 et Le col 12 sont constitués par des parois 8a et 12a qui peuvent
être traversées par des vapeurs d'hélium; La paroi 8a étant à La température de l'hélium
liquide, est considérée comme non poreuse d'après La relation ci-avant. Le col 12
a sa partie basse à La température du récipient 8, tandis que sa partie haute, qui
est en contact avec l'atmosphère, se trouve à La température ambiante. C'est donc
à La partie supérieure du col que La diffusion de vapeur est La plus importante d'après
La relation ci-dessus. Selon l'invention, on absorbe Les vapeurs ayant diffusé à travers
La paroi 12a du col 12 en disposant, à L'extérieur du récipient 8 et au voisinage
immédiat de celui-ci, une couche 18 d'un matériau capable d'absorber Les vapeurs d'hélium,
par exemple du charbon actif.
[0017] On voit sur La figure que le charbon actif est placé sur une partie seulement de
La surface extérieure du récipient 8, mais on pourrait le mettre autour de La totalité
de ce récipient. Une enveloppe 20 entoure ici Le récipient 8 définissant un espace
22 dans LequeL se trouve Le charbon actif 18. Cette enveloppe 20 n'est pas indispensable.
Une autre enveloppe 24, indispensable, entoure le col 12 et définit un espace annulaire
26 entre elle-même et Le col. Les deux espaces 22 et 26 sont en communication l'un
avec L'autre afin que le gaz ayant traversé La paroi 12a du col 12, notamment à sa
partie supérieure, soit canalisé en direction du charbon actif 18. Les enveloppes
20 et 24, qui servent à canaliser Le gaz, peuvent être réalisées par des couches de
super-isolant. En raison de phénomènes de rayonnement thermique, il est avantageux
de prévoir un garnissage 28 dans L'espace 26, par exemple en grillage super-isolant.
[0018] Ainsi, le dispositif est maintenu sous vide en permanence puisque Le charbon actif
18 absorbe toutes les molécules d'hélium qui traversent La paroi du col 12. Le charbon
actif joue donc un rôle de pompe puisque toute molécule de gaz ayant diffusé à travers
La paroi 12a reste prisonnière dans les espaces 22 et 26 et finit par être absorbée
par La couche 18.
[0019] Le dispositif objet de L'invention présente des avantages intéressants puisqu'il
permet de maintenir plus longtemps sous vide un dispositif cryogénique même constitué
de parois présentant une certaine porosité plus ou moins épaisse, ce qui évite les
difficultés et Le coût important de la solution de l'art antérieur consistant à placer
une feuille métallique mince en sandwich entre deux parois poreuses. Le charbon actif
se sature progressivement avec Les vapeurs d'hélium mais sa durée de vie, qui dépend
des conditions d'utitisation, peut atteindre une année.
1. Dispositif cryogénique comportant un récipient (8) apte à contenir un fluide cryogénique
(10), ce récipient (8) étant isolé thermiquement du milieu ambiant et surmonté d'un
col (12) sensiblement cylindrique, un matériau (18) apte à absorber Les vapeurs du
fluide cryogénique diffusant à travers La paroi (12a) du col (12) étant placé en contact
avec La paroi (8a) du récipient (8), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une
enveloppe (24) entourant au moins Le col (12) et définissant un espace (26) entre
elle-même et Le col (12).
2. Dispositif cryogénique selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
une enveloppe (20) délimitant un espace (22) entre elle-même et La face externe de
La paroi (8a) du récipient (8).
3. Dispositif cryogénique selon La revendication 2, caractérisé en ce que L'espace
(22) est garni de matériau absorbant (18).
4. Dispositif cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé
en ce qu'il comporte un garnissage (28).
5. Dispositif cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé
en ce que Le matériau absorbant (18) est du charbon actif.