Techniques de refroisissement indirect

L'image ci-dessus donne la répartition des températures dans le mandrin Lotus. La zone visible au premier plan montre une coupe du mandrin en fer qui est localement refroidi au niveau de la tache bleue supérieure à 4,99 K. À l'opposé, en bas de l'aimant (en rouge) on observe la zone la plus chaude à 5,37 K. Cette partie du mandrin dispose du plus grand gradient de température car elle est isolée des bobines par des plaques de fibre de verre. Les bobines, elles-mêmes, sont refroidies par des drains indépendants qui leur permettent d'être globalement mieux refroidies que le mandrin.

Nous avons étudié et réalisé un banc de test cryogénique pour l’imageur Miri qui a permis de valider notre technique de refroidissement par conduction, sans fluide. Dans la même dynamique, pour l’aimant Lotus, nous avons poursuivi notre approche vers le refroidissement sans hélium pour une masse 10 fois plus élevée (1 tonne) via 2 cryogénérateurs. Cette technique demande de développer des connexions thermiques de très bonne qualité pour homogénéiser la température de la masse froide qui comporte le plus souvent des matériaux de natures variées et aux propriétés très inhomogènes.

 

Le refroidissement sec, par conduction à partir d’un cryogénérateur, permet d’éviter les contraintes liées à l’utilisation classique des fluides cryogéniques (hélium et azote) comme réserves énergétiques ou comme caloporteurs. Si la mise en œuvre gagne beaucoup en simplicité ; la conception impose d’avoir une expérience et une bonne maîtrise pratique des résistances thermiques de contact. Celles-ci, en effet, sont très difficilement évaluables de manière fiable par calcul. Dans le meilleur des cas des résistances de contact trop élevées retardent la mise en froid mais au pire elles introduisent un écart de température qui ne permet pas d’atteindre la température requise. On peut par contre assez bien simuler leur influence sur le comportement thermique de la masse froide et déterminer les dimensions et emplacements optimums des contacts utiles pour obtenir la meilleure homogénéité en température (Refroidissement Lotus).

Pour le banc de test de Miri, la difficulté était de permettre de thermaliser le détecteur infrarouge dans une gamme de température qui s’étend de 4 K à 40 K avec une charge thermique variable. La solution a été obtenue grâce à la maîtrise des résistances de contact à 4 K pour lesquelles des valeurs très faibles ont été atteintes. Pour obtenir les gammes de température plus élevées, nous introduisons des réductions de section qui ajoutent une résistance thermique calibrée et donc un écart de température prédictible. Le contexte particulier de cette expérience nous a conduits à inventer un principe de support cryomécanique, également utilisé pour la bobine supraconductrice sur LNCMI, pour ramener la charge thermique dans la gamme de puissance utile d’un cryogénérateur.

 

Maj : 08/11/2017 (4125)

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