DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT THERMIQUE D'UN OBJET À PARTIR D'UNE SOURCE FROIDE TELLE QU'UN BAIN DE FLUIDE CRYOGÉNIQUE

Abstract

 Le dispositif de refroidissement comporte :
• un premier élément (2) d'échange thermique avec la source froide (1) ;
• un ensemble de premières ailettes d'échange thermique (3) reliées au premier élément d'échange thermique (2), à l'une de leurs extrémités ;
• un deuxième élément (4) d'échange thermique avec l'objet à refroidir (200) ;
• un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique (5) reliées au deuxième élément d'échange thermique (4), à l'une de leurs extrémités ;
• une enceinte (6) contenant :
- les premières ailettes (3) et les deuxièmes ailettes (5) intercalées et sans contact mécanique direct entre elles, chaque ailette étant insérée dans un espace interstitiel,
- et un gaz d'échange thermique (7) à une pression interne souhaitée ;


Selon l'invention, l'autre extrémité de chaque ailette (3, 5), opposée à l'extrémité reliée à l'élément d'échange thermique (2, 4), porte une cale de positionnement adaptée pour positionner, avantageusement centrer, ladite ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée.

Description

Domaine technique de l'invention

[0001] L'invention concerne un dispositif de refroidissement thermique d'un objet constituant une source chaude, à partir d'une source froide telle qu'un bain de fluide cryogénique.

État de la technique

[0002] De nombreuses applications nécessitent une régulation en température, à des températures cryogéniques (c'est-à-dire inférieures à 120 K), d'un objet ou élément constituant une source chaude. On peut citer, à titre d'exemples illustratifs, les applications suivantes :

• le refroidissement homogène d'une plaque supérieure d'une grande cellule cryogénique de Rayleigh-Bénard ;
• des tests de propriétés réalisés sur des matériaux à froid ;
• la recherche de températures critiques de matériaux supraconducteurs.

[0003] Pour obtenir une température cryogénique stable, une solution connue repose sur l'utilisation d'un bain à saturation contenant un fluide cryogénique à saturation (par exemple de l'hélium), sous forme liquide, jouant le rôle de source froide. La température du bain à saturation est fixée par la nature du fluide et par sa pression. Pour une pression donnée, la température du bain cryogénique est fixe. A partir de ce bain à saturation, on peut refroidir un objet à une température proche de celle du bain. Par exemple, on peut immerger l'objet dans le bain, entièrement ou partiellement. La chaleur reçue par l'objet est évacuée par évaporation du fluide du bain. Cette solution est toutefois peu flexible car limitée à un refroidissement à une température proche de celle du bain, laquelle est fixée par la nature du fluide et sa pression. Sur la figure 1, on a représenté l'évolution de la température de saturation (exprimée en Kelvin) de plusieurs fluides cryogéniques en fonction de la pression du fluide considéré. Pour obtenir une température de refroidissement souhaitée, on peut choisir le fluide cryogénique le mieux adapté, c'est-à-dire celui permettant d'accéder facilement à la température souhaitée, et mettre le fluide à la pression qui convient pour atteindre cette température souhaitée. Toutefois, comme cela ressort de la figure 1, il existe, entre les différents fluides cryogéniques, des écarts de températures tels que même en jouant sur le choix du fluide et sur la variation de pression, on ne peut pas atteindre certaines valeurs de température. Par exemple, il est particulièrement difficile de réguler la température d'un objet à une température stable dans la plage de températures comprise entre 5,2K et 15K avec un bain de fluide cryogénique à saturation.

[0004] Différentes solutions existent pour obtenir une température souhaitée en dehors des températures facilement accessibles au moyen d'un bain de fluide cryogénique. Prenons l'exemple d'une expérience nécessitant de refroidir un objet à une température de 6 K à partir d'un bain d'hélium à saturation ayant une température fixe égale à 4,2 K.

[0005] Une première solution consiste à placer une résistance thermique entre le bain de fluide (source froide) et l'objet à refroidir (source chaude). La résistance thermique permet d'évacuer la chaleur de l'objet et d'obtenir une différence de température contrôlée entre le bain et l'objet à refroidir. Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'augmenter de façon importante la consommation en fluide cryogénique lorsque l'on cherche à obtenir une température qui s'éloigne de celle du bain.

[0006] Une deuxième solution repose sur l'utilisation d'une cellule de convection naturelle à l'intérieur de laquelle on fait varier la densité de gaz pour faire varier la conductance thermique. Cette solution n'est toutefois pas satisfaisante car la variation de densité de gaz est difficilement maitrisable, notamment aux abords des conditions critiques et diphasiques du gaz d'échange, et le comportement du fluide est particulièrement instable en raison du phénomène de convection naturelle.

[0007] Une troisième solution utilise des composants appelés « interrupteurs thermiques à gaz » permettant d'établir ou de supprimer (ou de quasiment supprimer), à volonté, une liaison thermique entre deux pièces. Le document WO2007/147981 décrit un exemple d'interrupteur thermique à gaz. La performance d'un tel interrupteur thermique dépend notamment de son rapport de coupure. Ce paramètre correspond au rapport de la conductance thermique maximale de l'interrupteur (correspondant à la position ON ou « fermée » de l'interrupteur) sur la conductance thermique minimale de l'interrupteur (correspondant à la position OFF ou « ouverte » de l'interrupteur). Ce type d'interrupteur, comportant des pièces simples à usiner, est utilisé pour de petites puissances frigorifiques.

[0008] La présente invention vient améliorer la situation.

Objet de l'invention

[0009] A cet effet, l'invention concerne un dispositif de refroidissement thermique d'un objet, à partir d'une source froide, notamment un bain de fluide cryogénique, comportant :

• un premier élément d'échange thermique avec la source froide ;
• un ensemble de premières ailettes d'échange thermique reliées au premier élément d'échange thermique, à l'une de leurs extrémités ;
• un deuxième élément d'échange thermique avec l'objet à refroidir ;
• un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique reliées au deuxième élément d'échange thermique, à l'une de leurs extrémités ;
• une enceinte contenant :
  • les premières ailettes et les deuxièmes ailettes intercalées et sans contact mécanique direct entre elles, chaque ailette étant insérée dans un espace interstitiel,
  • et un gaz d'échange thermique à une pression interne souhaitée ;

caractérisé en ce que l'autre extrémité de chaque ailette, opposée à l'extrémité reliée à l'élément d'échange thermique, porte une cale de positionnement adaptée pour positionner, avantageusement centrer, ladite ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée.

[0010] L'architecture du dispositif de refroidissement de l'invention est proche de celle d'un interrupteur thermique à gaz d'échange, tel que décrit dans le document US 2005/0230097, adapté pour des échanges thermiques de faible puissance typiquement comprise entre 0,01 W et 0,3 W. Elle en diffère notamment par le fait qu'elle comprend des cales de positionnement ou de centrage des ailettes. La présence de ces cales dégrade le rapport de coupure du dispositif. Leur utilisation n'est donc a priori pas souhaitable au sein d'un tel dispositif. Dans l'invention, la structure d'un interrupteur thermique standard est modifiée par ajout de cales de positionnement ou de centrage des ailettes, ce qui permet d'augmenter la taille du dispositif et d'en détourner l'utilisation afin d'assurer le refroidissement thermique d'un objet avec un niveau de puissance thermique échangée supérieur, pouvant aller jusqu'à plusieurs watts.

[0011] Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de refroidissement comprend un élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte ou une pompe d'introduction et d'extraction de gaz d'échange thermique dans l'enceinte, destiné à faire varier la conductance thermique dudit dispositif de refroidissement, en faisant varier la pression interne du gaz dans l'enceinte.

[0012] Grâce à cela, le dispositif de refroidissement de l'invention permet de réguler en température l'objet à refroidir (c'est-à-dire maintenir la température de cet objet égale ou sensiblement égale à une température de consigne souhaitée) à partir d'une source froide à température fixe.

[0013] Avantageusement, les cales sont en un matériau plastique. Le matériau est avantageusement un isolant thermique. On limite ainsi l'effet de pont thermique entre ailettes voisines des cales.

[0014] De préférence, les cales ont un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui des ailettes. Grâce à cela, les cales se contractent davantage que les ailettes lors des refroidissements thermiques, ce qui évite une dégradation mécanique des cales sous l'action de compression des ailettes lors des variations de température.

[0015] Dans une forme de réalisation particulière, chaque ailette comprend une extrémité libre de fixation d'épaisseur réduite destinée à être introduite dans une gorge de fixation ménagée dans la cale portée par ladite ailette. Grâce à cela, les cales peuvent être fixées aux ailettes par simple emboîtement ou coulissement.

[0016] Avantageusement, chaque cale comprend trois faces extérieures d'appui, dont deux faces latérales et une face de fond, en contact avec des parois délimitant l'espace interstitiel dans lequel ladite cale est insérée et en ce que chaque face latérale d'appui de la cale est reliée à la face de fond d'appui de la cale par une face oblique qui n'est pas en contact avec lesdites parois. Grâce à cela, on limite la surface d'échange thermique entre la cale portée par une ailette et la ou les ailettes voisines.

[0017] Avantageusement encore, la distance entre deux ailettes voisines, respectivement reliées au premier élément d'échange thermique et au deuxième élément d'échange thermique, est inférieure ou égale à 0,5 mm, avantageusement inférieure ou égale à 0,3 mm, avantageusement encore égale à 0,1 mm. La distance réduite entre ailettes voisines supprime la convection naturelle et n'autorise l'échange entre les ailettes 3 et 5 que par conduction gazeuse. Celle-ci est améliorée par la réduction de la distance (inversement proportionnelle). Du fait ce faible écart entre les ailettes voisines, il convient d'éviter toute déformation des ailettes. En effet, la déformation d'une ailette risquerait de provoquer un contact mécanique direct de celle-ci avec une ailette voisine, ce qui aurait pour effet de nuire considérablement au bon fonctionnement du dispositif de refroidissement. Les cales permettent d'éviter de telles déformations grâce à un maintien mécanique des ailettes en position.

[0018] Dans une forme de réalisation particulière, le premier élément d'échange thermique est relié thermiquement à des ailettes d'échange thermique destinées à être immergées dans la source froide. Grâce à ces ailettes, le transfert thermique entre la source froide et le premier élément d'échange thermique est amélioré.

[0019] Dans une forme de réalisation particulière, la pompe est une pompe à adsorption contenant un adsorbant, un module de chauffage et un élément de liaison thermique à ladite source froide, destiné à évacuer de la chaleur. La source froide est ainsi également utilisée par la pompe pour régler sa température interne.

[0020] Le dispositif de refroidissement peut comprendre un bain de fluide cryogénique à saturation, jouant le rôle de source froide, ledit fluide comprenant l'un des éléments du groupe comportant l'hélium, l'hydrogène, le néon, l'azote, l'oxygène et l'argon.

[0021] Avantageusement, l'enceinte porte une lèvre de soudage à une bague à lèvre d'étanchéité. L'utilisation de lèvres de soudage permet de limiter la montée en température des cales lors de l'assemblage des différents éléments du dispositif de refroidissement.

[0022] Avantageusement encore, la longueur de la cale portée par une ailette est inférieure à la largeur de ladite ailette.

[0023] Avantageusement, chaque ailette porte au moins deux cales.

Description sommaire des dessins

[0024] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière du dispositif de refroidissement de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

• La figure 1 représente l'évolution de la température de saturation de plusieurs fluides cryogéniques en fonction de la pression du fluide ;
• La figure 2 représente de façon schématique le dispositif de refroidissement de l'invention, selon une première forme de réalisation particulière ;
• La figure 3A représente une vue de côté du dispositif de refroidissement de l'invention, selon la première forme de réalisation ;
• La figure 3B représente une vue en coupe selon AA du dispositif de refroidissement de la figure 3A ;
• La figure 3C représente une vue de dessus du dispositif de refroidissement de la figure 3A ;
• La figure 4A représente de façon schématique les flux de chaleur échangés entre les ailettes en « position ON » de transfert thermique ;
• La figure 4B représente de façon schématique les flux de chaleur échangés entre les ailettes en « position OFF » d'interruption thermique ;
• La figure 5 représente un schéma d'une cale, en section transversale.

Description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention

[0025] Le dispositif de refroidissement thermique de l'invention a pour fonction de refroidir un objet, celui-ci constituant une source chaude, à partir d'une source froide, par exemple un bain de fluide cryogénique.

[0026] Un tel dispositif peut être utilisé dans de multiples applications, par exemple :

• refroidir de façon homogène une plaque supérieure d'une cellule de Rayleigh-Bénard de grande dimension, notamment dans le cadre de l'étude de la convection naturelle turbulente ;
• réaliser des tests d'étude de propriétés sur des matériaux froids à des températures cryogéniques ;
• rechercher des températures critiques de matériaux supraconducteurs ;
• réaliser des mesures de calorimétrie ;
• réaliser une désaimantation adiabatique pour la grande réfrigération ;
• réaliser un refroidissement homogène.

[0027] Sur la figure 2, on a représenté de façon schématique un exemple de réalisation du dispositif de refroidissement 100 de l'invention. Il comprend

• une source froide 1 ;
• un premier élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1 ;
• un ensemble de premières ailettes d'échange thermique 3 reliées au premier élément d'échange thermique 1, à l'une de leurs extrémités ;
• un deuxième élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200 ;
• un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique 5 reliées au deuxième élément d'échange thermique 4, à l'une de leurs extrémités ;
• une enceinte 6 contenant les deux ensembles 3, 5 de premières et deuxièmes ailettes et un gaz d'échange thermique 7 à une pression interne souhaitée.

[0028] La source froide 1 est ici un bain de fluide cryogénique. Elle a une température fixe. Dans l'exemple particulier de réalisation décrit ici, le bain contient de l'hélium liquide à saturation à une température égale ou proche de 4,5 K (soit - 269°C). Le fluide cryogénique pourrait en variante être de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon ou autre.

[0029] L'élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1 et l'élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200 sont des éléments conducteurs thermiques. Ils sont réalisés en un matériau constituant un bon conducteur thermique, par exemple du cuivre, et ont ici une forme de disque.

[0030] L'élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1 est relié thermiquement à la source froide 1 constituée ici par le bain de fluide cryogénique 1. A cet effet, il est en contact direct avec le fluide cryogénique, ici par immersion de l'une des faces du disque conducteur thermique, dite « face immergée » 20, dans le bain de fluide cryogénique 1. La face immergée 20 de l'élément conducteur 2 peut être prolongée longitudinalement par des troisièmes ailettes d'échange thermique 9 disposées à l'intérieur du bain 1, comme représenté sur la figure 2. Ces ailettes 9 d'échange thermique avec le bain 1 permettent d'améliorer le transfert de chaleur entre le bain 1 et l'élément d'échange thermique 2.

[0031] L'autre face (ou côté) 21 de l'élément d'échange thermique 2, opposée à la face immergée 20, est prolongée longitudinalement par les premières ailettes d'échange thermique 3. Celles-ci sont confinées dans la chambre interne du tube échangeur 6. Par la suite, on appellera « ailettes froides » les premières ailettes 3 du fait qu'elles sont reliées thermiquement à la source froide 1.

[0032] L'ensemble comportant le premier élément d'échange thermique 2, les premières ailettes d'échange thermique 3 et les troisièmes ailettes d'échange thermique 9 forme ici une pièce monobloc. Elle est usinée à partir d'un cylindre plein en un matériau bon conducteur thermique, ici en cuivre. Pour obtenir les ailettes 3 et 9, des sillons sont usinés dans des plans parallèles entre eux et à l'axe longitudinal du cylindre. Chaque ailette 3 ou 9 s'étend ainsi dans un plan parallèle à l'axe longitudinal et a la forme d'une tranche longitudinale partielle de cylindre. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3B, le disque conducteur 2 porte dix premières ailettes 3 et cinq troisièmes ailettes 9. Le disque conducteur 2 et l'enveloppe cylindrique des troisièmes ailettes 9 ont un diamètre qui est légèrement inférieur au diamètre interne du tube échangeur 6. Les premières ailettes 3 ont une enveloppe cylindrique de diamètre égal ou sensiblement égal à celui du diamètre interne du tube échangeur 6.

[0033] De façon analogue, l'élément d'échange thermique 4 est prolongé longitudinalement par les deuxièmes ailettes 5. Celles-ci sont également confinées dans la chambre interne du tube échangeur 6. Par la suite, on appellera « ailettes chaudes » les deuxièmes ailettes 5 du fait qu'elles sont reliées thermiquement à l'objet à refroidir 200. L'élément d'échange thermique 4 et les ailettes chaudes 5 forment ici une pièce monobloc. Celle-ci est fabriquée à partir d'un cylindre plein en un matériau bon conducteur thermique, en l'espèce du cuivre. Les ailettes chaudes 5 peuvent être formées par usinage de sillons dans le cylindre de cuivre dans des plans parallèles entre eux et à l'axe longitudinal du cylindre. Chaque ailette 5 s'étend ainsi dans un plan parallèle à l'axe longitudinal et a la forme d'une tranche longitudinale partielle de cylindre. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3B, le disque conducteur 4 porte onze deuxièmes ailettes 5. Le diamètre du disque conducteur 4 est supérieur au diamètre interne du tube échangeur 6. Les ailettes 5 ont une enveloppe en forme de cylindre de diamètre égal ou sensiblement égal à celui du diamètre interne du tube échangeur 6.

[0034] Dans l'exemple de réalisation particulier, non limitatif, décrit ici, les premières et deuxièmes ailettes 3 et 5 ont une hauteur (selon la direction longitudinale) d'environ 160 mm et une épaisseur (perpendiculairement au plan de l'ailette) de 2,5 mm. L'espace interstitiel, ou interstice, séparant deux ailettes voisines 3 (ou 5) solidaires d'un même élément d'échange thermique 2 (ou 4) est ici de 2,7 mm. La largeur d'une ailette (selon la direction perpendiculaire la direction longitudinale dans le plan de l'ailette) est inférieure ou égale au diamètre du disque 2 (ou au diamètre interne du tube échangeur 6), ici égal à 55,5 mm, et varie selon sa position : la ou les ailettes disposées à proximité ou sur l'axe longitudinal du cylindre sont plus larges que celles disposées en périphérie extérieure. Les ailettes 3 pourraient avoir d'autres dimensions, notamment une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, une hauteur comprise entre 10 et 500 mm et une largeur maximale comprise entre 10 et 200 mm.

[0035] L'usinage des ailettes 3, 5 et 9 peut être réalisé par électroérosion.

[0036] L'enceinte 6 est fermée de façon étanche. Elle comprend une paroi ici cylindrique qui forme un tube d'axe longitudinal AX, renfermant une chambre de réception des premières ailettes « froides » 3 et des deuxièmes ailettes « chaudes » 5. Par la suite, on appellera ce tube « tube échangeur thermique » ou « tube échangeur » car sa chambre interne est le siège d'échanges thermiques entre les premières ailettes 3 « froides » et les deuxièmes ailettes 5 « chaudes », intercalées entre elles, comme cela sera explicité par la suite. Ce tube échangeur 6 est par exemple en acier inoxydable. L'acier inoxydable présente différents avantages : il peut se braser facilement, notamment avec le cuivre, et a une faible conduction thermique, ce qui limite la conduction thermique en position OFF. Le tube échangeur 6 en acier inoxydable possède donc de façon avantageuse une faible conduction thermique. Le tube échangeur 6 a un diamètre inférieur ou égal à 70 mm, avantageusement inférieur ou égal à 65 mm, avantageusement encore égal à 60 mm et avantageusement encore supérieur ou égal à 20 mm. Le diamètre du tube dépend de la puissance à échanger.

[0037] Le premier élément d'échange thermique 2 est disposé à l'une des extrémités du tube 6. Il est ici inséré à l'intérieur du tube 6 et solidarisé à celui-ci par l'intermédiaire d'une bague d'étanchéité 13 à lèvre de soudage.

[0038] Le deuxième élément d'échange thermique 4 est disposé à l'autre extrémité du tube 6, opposée à celle recevant le premier élément d'échange thermique 2. Son diamètre est ici supérieur au diamètre externe du tube 6 et il est mis en butée contre cette autre extrémité du tube 6 par l'intermédiaire d'une autre bague d'étanchéité 16 à lèvre de soudage, comme cela sera explicité plus loin.

[0039] Les premières ailettes 3, reliées thermiquement au premier élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1, et les deuxièmes ailettes 5, reliées thermiquement au deuxième élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200, sont disposées à l'intérieur du tube échangeur 6, ou de l'enceinte. Elles sont intercalées entre elles et sans contact mécanique direct entre elles. Chaque ailette froide 3 est insérée dans un espace interstitiel séparant deux ailettes chaudes 5 voisines ou bien une ailette chaude 5 et la face interne du tube échangeur 6. De façon analogue, chaque ailette chaude 5 est insérée dans un espace interstitiel séparant deux ailettes froides 3 voisines ou bien une ailette froide 3 et la face interne du tube échangeur 6. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, une fois les premières ailettes 3 et les deuxièmes ailettes 5 introduites dans le tube échangeur 6 et emboitées, intercalées les unes entre les autres, le jeu ou écart ménagé entre deux ailettes voisines, respectivement froide 3 et chaude 5, est de 0,1 mm. De façon analogue, l'écart entre chacune des deux ailettes périphériques (ici des ailettes chaudes 5), et la face interne du tube échangeur 6 est de l'ordre de 0,1 mm.

[0040] L'extrémité libre de chaque ailette 3 (ou 5), opposée à celle solidaire de l'élément d'échange thermique associé 2 (ou 4), porte au moins une cale de positionnement 8 adaptée pour positionner, ici centrer, cette ailette 3 (ou 5) dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée. La cale 8 portée par l'ailette 3 (ou 5) permet d'assurer le centrage de cette ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est reçue et d'éviter toute déformation de l'ailette, grâce à un maintien forcé au centre de l'espace interstitiel.

[0041] Les cales 8 sont en un autre matériau isolant thermiquement, ayant une faible conductivité thermique, avantageusement inférieure ou égale à 0,2 W.m^-1.K^-1 ou inférieure à 0,3 W.m^-1.K^-1. Elles sont par exemple en matière plastique, notamment en matière plastique à base de polyimide. Elles ne sont de préférence pas en métal ou en alliage de métaux.

[0042] Le matériau de constitution des cales 8 possède avantageusement un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui du matériau de constitution des ailettes 3, 5, (en l'espèce du cuivre). Grâce à cela, la contraction thermique des cales 8 est supérieure à celle des ailettes 3, 5, ce qui permet d'éviter un endommagement des cales par les ailettes lorsque celles-ci se contractent sous l'effet du refroidissement.

[0043] Sur la figure 5, on a représenté de façon schématique une cale 8, selon une forme de réalisation particulière, en section transversale. La cale 8 destinée à être portée par une ailette 3 (ou 5) comprend trois faces extérieures d'appui 80-82 : deux faces latérales 80, 81 et une face de fond 82. Lorsque la cale 8 portée par une ailette 3 (ou 5) est insérée dans un espace interstitiel entre deux ailettes 3, 5 ou entre une ailette 5 et la paroi du tube échangeur 6, les deux faces latérales 80, 81 de la cale 8 sont en contact avec les parois latérales délimitant l'espace interstitiel et la surface de fond 82 est en contact avec l'élément d'échange thermique 4 (ou 2) formant le fond de l'espace interstitiel. Chaque face latérale d'appui 80, 81 de la cale 8 est reliée à la face de fond d'appui 82 par une face oblique 83, 84 qui n'est pas en contact avec les parois délimitant l'espace interstitiel. Grâce à cela, on réduit la surface d'échange thermique entre la cale 8 et les éléments voisins (ailette 3 ou 5, élément d'échange thermique 2 ou 4 ou tube échangeur 6), ce qui contribue à limiter l'effet de « pont thermique » (c'est-à-dire de transfert thermique) des cales 8. L'épaisseur du fond de la cale est choisie de sorte à assurer un espacement souhaité des ailettes 3 (ou 5) par rapport à l'élément d'échange thermique 4 (ou 2) pour limiter les échanges thermiques entre ces ailettes 3 (ou 5) et l'élément d'échange thermique 4 (ou 2) et ainsi réduire encore l'effet de « pont thermique » des cales 8. Cette épaisseur de fond est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm.

[0044] De préférence, comme représenté sur les figures 2, 4A et 4B, chaque cale est en contact permanent (sans jeu) avec les parois latérales de l'espace interstitiel dans lequel elle se trouve. De préférence encore, chaque cale est aussi en contact permanent (sans jeu) avec l'ailette sur laquelle elle est montée ou fixée. Ces différents contacts peuvent être plus ou moins précontraints. Ainsi, l'ailette ne peut pas se déplacer latéralement sauf à compresser le matériau formant la cale.

[0045] De préférence, comme représenté sur les figures 2, 4A et 4B, chaque cale est en contact permanent (sans jeu) avec le fond de l'espace interstitiel dans lequel elle se trouve. De préférence encore, chaque cale est aussi en contact permanent (sans jeu) avec la face d'extrémité de l'ailette sur laquelle elle est montée ou fixée. Ainsi, l'ailette ne peut pas se déplacer axialement vers le fond de l'espace interstitiel sauf à compresser le matériau formant la cale.

[0046] Chaque cale permet ainsi d'immobiliser une ailette au moins latéralement, c'est-à-dire perpendiculairement aux faces principales de l'ailette ou horizontalement dans les plans des figures 2, 4A et 4B. Chaque cale peut aussi permettre d'immobiliser une ailette au moins axialement, c'est-à-dire parallèlement aux faces principales de l'ailette ou verticalement dans les plans des figures 2, 4A et 4B.

[0047] La situation de montage en contact ou précontraint entre les cales et les ailettes se retrouve à température ambiante, par exemple à 20°C. En effet lors du refroidissement, la contraction différentielle entre les matériaux des cales et des ailettes contribue à réduire les contacts entre les cales et les ailettes, voire idéalement les supprimer.

[0048] Chaque ailette 3 (ou 5) peut porter à son extrémité libre, opposée à celle solidaire de l'élément d'échange thermique associé 2 (ou 4), une ou plusieurs cales de positionnement, ou de centrage, 8. Dans le cas où l'ailette 3 (ou 5) porte une seule cale 8, la longueur de la cale 8, c'est-à-dire sa dimension selon la direction perpendiculaire à l'axe AX dans le plan de l'ailette, est égale à la largeur de l'ailette ou inférieure à celle-ci. Dans le cas où l'ailette 3 (ou 5) porte plusieurs cales 8, les différentes cales portées par une ailette sont espacées l'une de l'autre et de préférence réparties de façon régulière le long de l'ailette de sorte à assurer un bon maintien mécanique de l'ailette. Par exemple, chaque ailette 3, 5 porte deux cales.

[0049] La fixation des cales 8 aux ailettes 3 (ou 5) peut être réalisée par emboîtement d'une partie saillante de l'une des deux éléments (cale ou ailette) dans une partie en creux ménagée dans l'autre élément (ailette ou cale). Par exemple, chaque ailette 3 (ou 5) comprend une extrémité libre de fixation, d'épaisseur réduite, destinée à être introduite dans une gorge de fixation 85 ménagée dans la cale 8. La gorge 85 a une forme complémentaire à celle de l'extrémité de fixation de l'ailette et présente ici une forme de U en section transversale. La profondeur de la gorge 85 est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm. La largeur de la gorge 85 est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm.

[0050] Les cales 8 présentent une symétrie par rapport à un plan médian qui s'étend ici au milieu de la gorge 85 perpendiculairement au plan de la figure 5. En outre, elles présentent une largeur, orthogonalement à ce plan de symétrie, qui est égale à la largeur de l'espace interstitiel entre deux ailettes 3 et 5 voisines (ici 2,7 mm). Cette symétrie permet d'assurer le centrage de l'ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée.

[0051] De préférence, une cale présente globalement une forme parallélépipédique dont deux arêtes parallèles sont chanfreinées (entre les faces 81 et 82 et entre les faces 80 et 82). Les chanfreins forment les faces obliques 83 et 84. La forme parallélépipédique présente aussi la gorge 85 ou rainure 85. Cette gorge est destinée à venir se fixer, par exemple par emboîtement sur une extrémité d'une ailette, notamment à venir se fixer, par exemple par emboîtement sur une languette 86 formée à une extrémité d'une ailette.

[0052] Les cales sont utilisés pour positionner relativement les ailettes et éviter leurs contacts qui pourraient être liés à une libération des contraintes dans les ailettes et donc à la déformation des ailettes (suite à leur usinage).

[0053] Soulignons que l'absence de contact mécanique direct entre les ailettes froides 3 et chaudes 5 intercalées entre elles, garantie grâce aux cales 8, est très importante pour assurer un bon fonctionnement du dispositif de refroidissement 100. En effet, la conductivité thermique du cuivre constituant les ailettes est bien plus élevée que celle du gaz d'échange thermique 7 séparant les ailettes 3 froides 3 et chaudes 5. Le moindre contact mécanique direct entre ces ailettes aurait pour effet de considérablement modifier les flux de chaleur entre les ailettes froides 3 et les ailettes chaudes 5 en position OFF.

[0054] Le tube échangeur 6 est fermé par le premier élément d'échange thermique 2, à l'une de ses extrémités, et par le deuxième élément d'échange thermique 4, à son autre extrémité. Il renferme une chambre interne confinée d'échange thermique qui contient les premières ailettes 3 et les deuxièmes ailettes 5. Cette chambre d'échange thermique est fermée de façon étanche, comme cela sera explicité plus loin. Elle contient un gaz d'échange thermique 7 à une pression interne souhaitée. Ce gaz d'échange thermique est l'un de ceux précédemment cités pour le bain 1 de fluide cryogénique (hydrogène, néon, azote, oxygène, argon ou autre). Généralement, le gaz d'échange thermique utilisé est le même que celui du bain 1 constituant la source froide.

[0055] L'ensemble comportant le tube (ou enceinte) 6, les éléments d'échange thermique 2 et 4, les premières et deuxièmes ailettes d'échange thermique 3, 5 et le gaz d'échange thermique 7 permet un transfert de chaleur entre la source froide 1 et l'objet à refroidir 200. Ce dispositif possède une certaine conductance thermique qui dépend notamment de la pression interne du gaz 7 dans l'enceinte 6. En faisant varier cette pression, on peut faire varier la conductance thermique du dispositif de l'invention.

[0056] Pour faire varier la conductance thermique, le dispositif de refroidissement 100 comprend un élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte, par exemple ici une pompe 10 d'introduction et d'extraction de gaz d'échange thermique 7 dans la chambre interne de l'enceinte 6. La variation de pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte permet d'obtenir une variation de la conductance thermique et permet ainsi de réguler la température du deuxième élément d'échange thermique 4, c'est-à-dire de maintenir cette température égale ou sensiblement égale à une valeur souhaitée, quelles que soient les variations de température de l'objet à refroidir, à partir de la source froide (ici le bain 1) à température fixe.

[0057] Dans la forme de réalisation particulière décrite ici, la pompe 10 est une pompe à adsorption contenant les éléments suivants :

• un adsorbant logé dans une chambre interne ;
• un module de chauffage comportant par exemple une résistance électrique (reliée à une source d'alimentation électrique),
• un élément de liaison thermique à une source froide destiné à évacuer de la chaleur, et
• un module de pilotage.

[0058] La pompe 10 utilise ici le bain de fluide cryogénique 1 comme source froide. Elle est reliée au bain 1 par une tresse calibrée jouant le rôle de résistance thermique. Le module de pilotage contrôle le fonctionnement de la résistance thermique afin de régler la température interne de la pompe 10 et par conséquent la température de l'adsorbant. L'adsorbant comprend ici des grains de charbon actif, par exemple de la noix de coco carbonisée (charbon actif), logés dans une chambre interne de la pompe 10. En fonctionnement, des atomes de gaz 7 se collent à la surface des grains de charbon en formant des couches. Le nombre de couches d'atomes de gaz d'échange collés sur les grains de charbon dépend de la température des grains, autrement dit de la température interne de la pompe 10. En faisant varier cette température interne à l'aide du module de chauffage, le module de pilotage peut moduler la quantité de gaz piégé par la pompe 10 et ainsi faire varier la pression interne du gaz 7 dans l'enceinte 6.

[0059] La chambre interne du tube 6 est reliée à un tube ou capillaire de remplissage 12A, par l'intermédiaire d'un canon 12B. Initialement, du gaz d'échange thermique 7 est introduit dans la chambre depuis une réserve de gaz extérieure (non représentée) par le capillaire de remplissage. La chambre interne du tube 6 est également reliée à un capillaire ou tube 11 de connexion à la pompe 10. La pompe 10 est ainsi montée sur le tube échangeur 6, avantageusement à proximité de l'extrémité voisine du bain cryogénique 1. Deux ouvertures de réception du capillaire 11 et du canon 12B sont ménagées dans la paroi du tube 6.

[0060] L'élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte permet de régler et de contrôler la conductance thermique du dispositif de refroidissement thermique de manière active et à volonté. Ainsi, la conductance thermique du dispositif de refroidissement thermique peut être réglée à une valeur donnée indépendamment d'autres paramètres physiques, notamment indépendamment de la température de la source froide et/ou de la température de l'objet à refroidir.

[0061] Le premier élément d'échange thermique 2 est assemblé au tube échangeur 6 par l'intermédiaire de la bague 13. En l'espèce, il s'agit d'une bague à rabat ou lèvre. L'extrémité de la bague 13 portant le rabat (ou la lèvre) est introduite dans la portion d'extrémité du tube 6 et montée autour du disque d'échange thermique 2. La bague 13 est ici fixée à l'élément d'échange thermique 2 par brasure et au tube 6 par soudage TIG au niveau de la lèvre (ou rabat). La bague 13 fait saillie hors du tube 6. Elle est solidarisée, à son autre extrémité (opposée à celle portant le rabat ou la lèvre), à une autre bague 14 d'adaptation à un réservoir contenant le bain 1 de fluide cryogénique (non représenté sur les figures 3A et 3B), ici par soudage TIG. La bague d'adaptation 14 est solidarisée, ici par soudage TIG, à une bride 15 de raccordement au réservoir du bain 1. Cette bride de raccordement 15 est destinée à être fixée, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité, au réservoir, au droit d'une ouverture adaptée ménagée dans celui-ci. La bague à lèvre 13, la bague d'adaptation 14 et la bride de raccordement 15 sont ici en acier inoxydable.

[0062] Le tube 6 est relié au deuxième élément d'échange thermique 4 par l'intermédiaire de l'autre autre bague d'étanchéité à lèvre 16. La bague 16 est montée autour d'une portion de cylindre plein reliant les deuxièmes ailettes 5 et l'élément 4 d'échange thermique. Elle présente, à l'une de ses extrémités, une lèvre en forme de collerette qui est solidarisée à une autre lèvre en forme de collerette prévue à l'extrémité du tube échangeur 6, ici par soudage TIG. L'autre extrémité de la bague 16 est solidarisée par brasure à l'élément d'échange thermique 4.

[0063] L'élément d'échange thermique 4 est ici solidarisé, par exemple par vissage, à l'objet à refroidir, comme représenté sur la figure 3B. L'assemblage peut également être réalisé par contact direct, par soudure ou encore, par souci de facilité de montage, à l'aide d'une pièce intermédiaire (par exemple en cuivre).

[0064] La fabrication du dispositif de refroidissement 100 comprend avantageusement les étapes suivantes :

• fabrication d'une première pièce monobloc comportant les premières ailettes 3, les troisièmes ailettes 9 et l'élément d'échange thermique 2 à partir d'un premier cylindre en cuivre, ici par électroérosion ;
• fabrication d'une deuxième pièce monobloc comportant les deuxièmes ailettes 5 et l'élément d'échange thermique 4 à partir d'un deuxième cylindre en cuivre, ici par électroérosion ;
• brasure des bagues 13 et 16 respectivement aux éléments 2 et 4 d'échange thermique ;
• mise en place d'une partie des cales 8, soit au fond des espaces interstitiels entre ailettes, soit directement sur les extrémités libres des ailettes ;
• emboîtement des deux pièces précédemment fabriquées, avec intercalation des premières ailettes 3 et des deuxièmes ailettes 5 ;
• mise en place des cales restantes 8 ;
• assemblage du tube 6, du capillaire de connexion 6, de la pompe 10, du canon 12B et du capillaire remplissage 12A ;
• mise en place du tube 6 autour des ailettes 3, 5, par le haut (c'est-à-dire par la partie comportant les ailettes 9 d'échange thermique avec le bain 1) ;
• soudure TIG « au torchon mouillé » (afin limiter la montée en température au voisinage des cales) de la lèvre de la bague 13 au tube 6 et de la lèvre de la bague 16 à la lèvre du tube 6 ;
• soudure de la bague 14 d'adaptation au réservoir à la bague 13 et à la bride de raccordement 15 ;
• raccordement de la bride 15 au réservoir de bain de fluide cryogénique ;
• fixation de l'élément d'échange thermique 3 à la bride de raccordement 17 et raccordement de celle-ci à l'objet à refroidir ;
• vidage du tube échangeur 6, remplissage de celui-ci avec du gaz d'échange thermique 7 par le capillaire 12A puis scellage du capillaire 12A ;
• remplissage du réservoir en fluide cryogénique afin d'obtenir le bain 1 ;
• mise en fonctionnement de la pompe 10 afin de régler la pression interne du gaz dans le tube 6.

[0065] L'assemblage de la pompe 10, des éléments de remplissage 12A, 12B et du tube échangeur 6 comprend les sous-étapes suivantes :

• soudage TIG du canon de connexion 12B au tube 6 ;
• brasure à l'étain du capillaire de remplissage 12A au canon 12B ;
• collage de grains de charbon (environ vingt grains ici) dans le fond d'une chambre interne de la pompe 10 ;
• fixation d'un couvercle de fermeture de la chambre interne de la pompe 10 au capillaire de connexion 11 ici par soudage TIG au torchon mouillé ;
• fermeture de la chambre interne de la pompe à l'aide du couvercle solidarisé au tube de connexion 11 ;
• fixation de l'ensemble (capillaire de connexion 11 et pompe 10) au tube étanche 6 ici par soudage TIG.

[0066] L'utilisation de lèvres de soudure permet de fortement limiter la montée en température du dispositif et ainsi de protéger les cales en plastique contre des dégradations dues à des températures élevées. Elles facilitent également le démontage ultérieur du dispositif de refroidissement, notamment pour effectuer un recentrage des ailettes en cas de problème.

[0067] Le fonctionnement du dispositif de refroidissement 100 va maintenant être décrit, selon une mise en oeuvre particulière.

[0068] On suppose qu'initialement les différents éléments du dispositif de refroidissement 100 sont assemblés comme indiqué dans le procédé de fabrication précédemment décrit. Le bain 1 contient par exemple de l'hélium liquide à saturation à une température fixe égale à environ 4,5 K. Les ailettes d'échange thermique 9 sont immergées dans le bain 1 et la face du disque d'échange thermique 2 portant ces ailettes 9 est en contact direct avec le fluide cryogénique. Par ailleurs, la chambre interne du tube échangeur 6 est remplie de gaz d'échange thermique 7 à une pression interne contrôlée par la pompe 10.

[0069] A l'aide de la pompe 10, on règle la pression interne du gaz 7 à l'intérieur du tube 6 afin d'ajuster la conductance thermique du dispositif de refroidissement 100 aux besoins énergétiques pour refroidir l'objet 200 et le maintenir à une température de consigne souhaitée. Cette conductance thermique est variable :

elle est fonction de la pression interne du gaz 7 dans le tube 6. Sur les figures 4A et 4B, à titre d'exemple illustratif, on a représenté schématiquement les flux de chaleur entre une ailette 3 portant une cale 8 et deux ailettes voisines 5 lorsque la pression interne du gaz d'échange 7 est maximale (figure 4A) et lorsque la pression interne du gaz d'échange 7 est nulle ou quasi-nulle (figure 4B). Dans le premier cas, le flux de chaleur passe de l'ailette 3 aux ailettes voisines 5 principalement par le biais du gaz d'échange 7. Dans le deuxième cas, un flux de chaleur résiduel passe de l'ailette aux ailettes voisines 8 par le biais de la cale 8.

[0070] La conductance thermique du dispositif de refroidissement 100 peut être modulée dans le temps en fonction des besoins en transfert de chaleur entre le bain 1 et l'objet à refroidir 200. Une sonde de température mesure la température de l'objet à refroidir 200. Les valeurs mesurées de température de l'objet 200 sont transmises régulièrement au module de pilotage de la pompe 10, qui adapte en conséquence la pression interne du gaz 7 (en la faisant si besoin varier dans le temps) pour obtenir une température de consigne stable ou quasi-stable de l'objet à refroidir 200. Le dispositif de refroidissement 100 permet ainsi de refroidir l'objet 200 à une température de consigne souhaitée et à réguler cette température dans le temps, autrement à maintenir l'objet 200 à une température stable égale ou sensiblement égale à cette température de consigne, en faisant varier la pression interne du gaz d'échange 7.

[0071] Le dispositif de refroidissement de l'invention permet de contrôler les transferts de chaleur à des températures cryogéniques entre une source froide (ici un bain de fluide cryogénique) et un objet à refroidir et de réguler en température cet objet, de façon aisée, flexible et économique. Il permet une régulation thermique sur une large gamme de températures, à partir d'une même source froide et au moyen de réglages de pression interne de gaz, simples à réaliser. Le dispositif de l'invention présente une structure proche de celle du dispositif décrit dans le document US 2005/0230097 mais est adapté pour permettre des transferts de chaleur à des niveaux de puissance bien supérieurs. Cette adaptation est rendue possible grâce à l'utilisation des cales 8 de positionnement, ou de centrage. Celles-ci permettent de construire un système d'échange thermique comportant des ailettes froides et des ailettes chaudes de grandes dimensions et de faibles épaisseurs, intercalées entre elles mais séparées l'une de l'autre par un faible écart (inférieure ou égale à 0,5 mm, avantageusement inférieure ou égale à 0,3 mm, avantageusement encore égale à 0,1 mm). Ce faible écart entre ailettes conduit à supprimer la convection naturelle et n'autorise l'échange entre les ailettes 3 et 5 que par conduction gazeuse qui est améliorée par la réduction de la distance entre ailettes. Les cales 8 permettent d'intercaler les ailettes froides 3 et chaudes 5 avec une distance réduite entre elles, sans risque de déformation des ailettes et de contact thermique direct entre elles.

[0072] Notons que ces cales dégradent le rapport de coupure du dispositif de refroidissement 100. L'utilisation d'un matériau adéquat pour la réalisation des cales permet néanmoins de maintenir un rapport de coupure suffisant pour l'utilisation recherchée de refroidissement et de régulation thermique. Le rapport de coupure du dispositif de refroidissement 100 est par exemple compris entre 40 et 100, alors qu'il est généralement supérieur à 1000 pour des interrupteurs thermiques classiques. A titre d'exemple illustratif, un dispositif de refroidissement selon l'invention ayant un rapport de coupure de 40 permettrait de réguler en température entre 5,4 K et 40 K une expérience consommant 2 W de puissance à partir d'un bain d'hélium à saturation ayant une température de 4,4 K, sans faire varier la consommation d'hélium qui serait sensiblement de 0,1 g/s. Afin d'obtenir une régulation thermique à 40 K à l'aide d'une résistance thermique fixe interposée entre le bain d'hélium à saturation et l'objet à réguler en température, il faudrait consommer une puissance d'environ 800W et consommer 4 g/s d'hélium. La détérioration du rapport de coupure induite par les cales de positionnement 8 des ailettes dans le dispositif de l'invention permet malgré tout, de façon surprenante, d'économiser une quantité importante de fluide cryogénique.

Revendications

1. Dispositif de refroidissement thermique d'un objet (200), à partir d'une source froide (1), notamment un bain de fluide cryogénique, comportant :

• un premier élément (2) d'échange thermique avec la source froide (1) ;

• un ensemble de premières ailettes d'échange thermique (3) reliées au premier élément d'échange thermique (2), à l'une de leurs extrémités ;

• un deuxième élément (4) d'échange thermique avec l'objet à refroidir (200) ;

• un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique (5) reliées au deuxième élément d'échange thermique (4), à l'une de leurs extrémités ;

• une enceinte (6) contenant :

- les premières ailettes (3) et les deuxièmes ailettes (5) intercalées et sans contact mécanique direct entre elles, chaque ailette étant insérée dans un espace interstitiel,

- et un gaz d'échange thermique (7) à une pression interne souhaitée ;

caractérisé en ce que l'autre extrémité de chaque ailette (3, 5), opposée à l'extrémité reliée à l'élément d'échange thermique (2, 4), porte une cale de positionnement adaptée pour positionner, avantageusement centrer, ladite ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (10) de réglage de la pression de gaz d'échange thermique (7) dans l'enceinte (6) ou en ce qu'il comprend une pompe (10) d'introduction et d'extraction de gaz d'échange thermique (7) dans l'enceinte (6), destiné à faire varier la conductance thermique dudit dispositif de refroidissement, en faisant varier la pression interne du gaz (7) dans l'enceinte (6).

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales (8) sont en un matériau plastique.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales (8) ont un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui des ailettes.

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (3, 5) comprend une extrémité libre de fixation d'épaisseur réduite destinée à être introduite dans une gorge de fixation ménagée dans la cale portée par ladite ailette.

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cale (8) comprend trois faces extérieures d'appui, dont deux faces latérales (80, 81) et une face de fond (82), en contact avec des parois délimitant l'espace interstitiel dans lequel ladite cale (8) est insérée et en ce que chaque face latérale d'appui (80, 81) de la cale (8) est reliée à la face de fond d'appui (82) de la cale (8) par une face oblique qui n'est pas en contact avec lesdites parois.

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance entre deux ailettes voisines (3, 5), respectivement reliées au premier élément d'échange thermique (2) et au deuxième élément d'échange thermique (4), est inférieure ou égale à 0,5 mm, avantageusement inférieure ou égale à 0,3 mm, avantageusement encore égale à 0,1 mm.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier élément d'échange thermique (2) est relié thermiquement à des ailettes d'échange thermique (9) destinées à être immergées dans la source froide (1).

9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la pompe (10) est une pompe à adsorption contenant un adsorbant, un module de chauffage et un élément de liaison thermique à ladite source froide (1), destiné à évacuer de la chaleur.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un bain de fluide cryogénique à saturation (1), jouant le rôle de source froide, ledit fluide comprenant l'un des éléments du groupe comportant l'hélium, l'hydrogène, le néon, l'azote, l'oxygène et l'argon.

11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte porte une lèvre (60) de soudage à une bague à lèvre d'étanchéité (16).

12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur de la cale portée par une ailette est inférieure à la largeur de ladite ailette.

13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette porte au moins deux cales.

Dessins