Cryopompage & Cryorefrig rateurs -...

CRYOPOMPAGE&

CRYOREFRIGERATEURS

A.RavexConsultant

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• Cryopompage:� Besoins / applications� Principes: condensation et adsorption� Débit / vitesse de pompage� Structures des cryopompes� Exemples de cryopompes

• Cryoréfrigérateurs:� Besoins / applications� Cycles thermodynamiques� Machines de type Gifford Mac Mahon et Tube Pulsé� Machines Stirling

SOMMAIRE

CRYOPOMPAGE

• Pompage « propre »: éliminer le risque de pollution du fait d’une pression partielle résiduelle d’hydrocarbures (lubrifiants) notamment pour les applications à l’électronique et au spatial.

• Obtention de vitesses de pompage élevées: notamment pour le spatial (chambres de simulation, bancs tests moteurs àpropulsion ionique) et process semi-conducteur.

• Pompage avec confinement et possibilité de régénérat ion de gaz toxiques: notamment pour la fusion nucléaire.

CRYOPOMPAGE: Quels besoins/quelles applications?

• Production du vide par condensation et / ou adsorptiondes molécules du gaz à pomper sur des surfaces refroidies àtrès basses températures.

• Permet d’obtenir des vides poussés (<10-2 Pa), propres et avec de grands débits volumiques (>1 m3/s).

• Températures typiques de fonctionnement: liquide bouillant àpression atmosphérique Azote (77K), Hydrogène (20,3K) et Hélium (4,2K) ou températures intermédiaires au moyen de cryoréfrigérateurs.

CRYOPOMPAGE: Principe

• Vide limite déterminé par la tension de vapeur du gaz considéré àla température Ts de la cryosurface sur laquelle il se condense.

CRYOPOMPAGE: Condensation

Ts = 4,2K Ts = 20K Ts = 77K

H2O <10-15 mbar

N2 <10-15 mbar 1.10-11 mbar 1013 mbar

H2 7.10-7 mbar 1013 mbar état gazeux

He 1013 mbar état gazeux

• En ultravide (P<10-6 Pa) l’hydrogène et l’hélium ne peuvent être pompés par condensation et nécessitent la cryosorption.


Courbes de tensions de vapeur saturante

• La condensation s’effectuant a une température généralement inférieure au point triple, le gaz s’accumule sous forme de givre.

• En pratique on choisit une température de condensation donnant une tension de vapeur inférieure de deux ordres de grandeur à la pression limite désirée.

• Pour les cryopompes fonctionnant en continu, à des pressions inferieurs à 10-3 Pa pendant moins d’une semaine, l’épaisseur du dépôt est très faible. Pour les pressions plus élevées (procédés de dépôt par exemple), c’est la température de surface du dépôt qui va déterminer la tension de vapeur. Le gradient thermique dans le dépôt est alors un facteur déterminant du temps d’utilisation de la cryopompe avant régénération


• Le phénomène d’adsorption résulte des interactions gaz/surface de type physisorption ou chimisorption .

• La quantité de gaz fixée sur la surface peut aller d’une fraction àplusieurs monocouches de gaz suivant la nature du couple gaz/surface, la température de la surface et la pression du gaz.

• Pour pomper des quantités importantes, on doit utiliser des matériaux ayant de grandes surfaces spécifiques : charbon actif (600 à 1200 m2/g) ou tamis moléculaires (500 à 800 m2/g). Les capacités à saturation peuvent atteindre 100 à 300 cm3 TPN de gaz par gramme d’adsorbant. En règle générale, la température de l’adsorbant doit être de l’ordre de la température d’ébullition normale du gaz que l’on veut pomper.

CRYOPOMPAGE: Adsorption

• L’adsorption peut se faire sur des givres (dépôts poreux) de gaz (tels que le CO2 ou l’Argon) pré déposés (cryosorption) ou injectés en continu (cryotrapping). Le paramêtre dimensionnant est le ratio des nombres de molécules des deux gaz (adsorbant/adsorbé) considérés.

• Les adsorbants doivent être soigneusement régénérés par chauffage, de préférence sous vide, pour donner leur pleine capacité d’adsorption (pollution par H2O).

• Les adsorbants sont de mauvais conducteurs de la chaleur: leur thermalisation est donc difficile surtout sous vide.

CRYOPOMPAGE: Adsorption

• Caractéristiques physiques de quelques adsorbants :

CRYOPOMPAGE: Adsorbants

Matériau Surface massique

m3/g

Volume poreuxcm3/g

Masse volumique apparente

g/cm3

Dimension moyenne d’un pore

10-10m

Température régénération

( 24-72 h)°C

Forme usuelle (dimensions

commerciales) mm

Charbon actif(noix de coco)

1000 à1200

0,7 0,5 5 à 20 20 à 200 Granulés cylindres 0,5*1,4 à 2,4*4,8

Tamis moléculaire

5A

800 0,75 0,69 5 250 à 420 Granulés sphères 1,6 à 3,2

Tamis moléculaire 13X

510 1,3 0,64 10 380 Granulés sphères 1,6 à 3,2

Alumine activée 320 à360

0,40 0,74 à0,80

22 et 44 350 Granulés sphères 0,2 à 1

Silicagel (type R) 750 à800

0,45 0,72 22 175 Granulés

CRYOPOMPAGE: Isothermes d ’adsorption

• Le débit volum étrique des cryopompes aussi appelé « vitesse de pompage » dépend du régime d’écoulement considéré.

• En régime moléculaire, cas habituel, la théorie cinétique des gaz s’applique. Le débit théorique maximum SM (m3.s-1/m2) vaut:

SM = (RT/2ππππM)1/2

avec: R=8,32 (SI), T: température du gaz (K), M: masse molaire du gaz (Kg)

soit pour les principaux gaz à 20°C (293K):

CRYOPOMPAGE: Débit / Vitesse de pompage

Gaz H20 N2 , CO H2 He

SM (m3.s-

1/m2)147 118 440 311

• La « vitesse de pompage » théorique Sth (m3.s-1/m2) de la cryosurface est déterminée par le coefficient de capture du gaz au premier choc sur la surface (α) et le degré de sursaturation du gaz à pomper (PG/PS), avec PS = tension de vapeur du gaz àla température TS de la cryosurface:

Sth = αααα . SM (1 – (PS/PG) . (TG/TS)1/2)• Le coefficient de capture α est en général élevé (>0,95) en

condensation, par contre il peut être inférieur à 0,5 en adsorption.• Lorsque la cryopompe quitte le régime moléculaire pour entrer

dans les régimes intermédiaire puis visqueux, la vitesse de pompage augmente jusqu’à une valeur limite dépendant de divers facteurs dont la puissance de réfrigération et le coefficient d’échange sur la cryosurface.

CRYOPOMPAGE: Débit / Vitesse de pompage

• En général, une cryopompe comprend une cryosurface très froide (entre 4K et 20K), protégée du rayonnement thermique ambiant par des écrans et un « baffle » refroidis entre 50K et 80K.

• Le baffle a pour fonction de laisser passer le mieux possible les molécules de gaz (coef. de transmission αM) et le moins possible le rayonnement thermique (coef. de transmission αP).

CRYOPOMPAGE: Structure des cryopompes

Coefficient Transmission Molécules, ααααM

Coefficient Transmission Photons, ααααP

Baffle Chevron >>>>>>>> 0,20 à 0,25 10-3

Baffle « louver » /////////////// 0,40 10-1

• On peut distinguer différents types de géométries de cryopompes.

• Les écrans et le baffle condensent vapeur d’eau et autres gaz condensables à 50-80K (solvants, hydrocarbures,..). La surface plus froide assure le cryopompage des composants de l’air et en général comporte une partie adsorbante, protégée de la condensation directe, pour le pompage hydrogène et helium.


• Exemples de schémas de réalisation de cryopompes refroidies par fluides cryogéniques bouillants:


• Structure de cryopompe refroidie par cryoréfrigérateur:


• refroidies par cryoréfrigérateur: applications semiconducteurs:

CRYOPOMPAGE: Exemple de cryopompes

• refroidies par cryoréfrigérateur:


• refroidies par cryoréfrigérateur - applications semi-conducteurs ou chambres de simulation: exemples de performances « standards » (vitesse de pompage en l/sec en fonction de la section de pompage)


Diamètre pompage (inches)Vitesse pompage (l.s-1/m2)

4’’ 8’’ 10’’ 16’’400mm

20’’

Eau 110 4000 9000 17500 31500

Air 370 1500 3000 6000 10000

H2 370 2500 5000 12000 15000

Ar 310 1200 2500 5000 8400

• refroidies par cryoréfrigérateur et circulation LN2 pour chambres de simulation spatiale.


Diamètre 1250mmm:<10-6 mbarN2: 50.000l/secH2: 60.000l/secEau: 150.000l/secArgon: 45.000l/sec

• PIVOINE (CNRS/Orleans): moyen d’essais moteurs spatiaux àpropulsion ionique Xenon

• le besoin initial: moteurs 1.3kW, 5.4mg/sec Xe, 2.5 10-5 mbar• la solution initiale: une cryopompe frontale à 3 étages:

� 100K (eau): LN2 bouillant pressurisé 2.6kW, 85l/h� 40K (Xenon): 3 cryoréfrigérateurs Cryomech AL200, 3x75W/40K� 20K (air+sorption H2 : 1 cryoréfrigérateur Cryomech GB37

• l’évolution du besoin: moteurs 6kW, 20mg/sec Xe, 2.5 10-5 mbar• l’évolution: insertion d’une cryopompe annulaire à 2 étages

� 100K (eau): LN2 bouillant pressurisé 2kW, 70l/h� 40K (Xenon): 6 cryoréfrigérateurs Cryomech AL330, 6x125W/40K

PIVOINE: exemple de cryopompe « sur mesure »

• shéma de la cryopompe « évolution »


Le caisson d’essai et la cryopompe avant et après modification


CRYOREFRIGERATEURS

• Les physiciens étudient les propriétés thermiques, électroniques, magnétiques et mécaniques de la matière aux températures cryogéniques . Ils ont découvert ainsi de nouvelles propriétés fondamentales telles la supraconductivité, la superfluidité de l’hélium, l’ordre magnétique, des effets quantiques, etc..

• Ces propriétés fondamentales génèrent parfois des applications: systèmes magnétiques supraconducteurs pour laboratoires, accélérateurs de particules, tokamaks, imagerie médicale (IRM); détecteurs divers; applications électrotechniques.

• Le cryopompage est aussi une application nécessitant la mise en œuvre de cryoréfrigération.

CRYOREFRIGERATION: Quels besoins?

• En laboratoire, la réfrigération est le plus souvent assurée dans des cryostats mettant en œuvre des fluides cryogéniques (N2, He)

• Pour des applications industrielles l’utilisation de ces fluides peut être problématique: difficultés d’approvisionnement, perturbation durant les transferts, opération dans toutes les directions ou en gravité nulle, coût d’opération,…

• L’utilisation de cryoréfrigérateurs mécaniques autonomes peut résoudre ces problèmes….. à condition qu’ils soient fiables, efficaces thermodynamiquement et d’un coût d’achat et d’entretien acceptables. Ces besoins et objectifs ont conduit au développement de cryoréfrigérateurs commerciaux.

CRYOREFRIGERATEURS: Quels besoins?

• La thermodynamique nous enseigne que pour réaliser une machine frigorifique il faut utiliser un fluide décrivant un cycle dans lequel il extrait de la chaleur à la source froide pour la rejeter àune source chaude (température ambiante) moyennant un apport d’énergie mécanique.

• En général le fluide de cycle est un gaz qui est comprimé àtempérature ambiante (apport d’énergie et rejet de chaleur) et détendu à froid (effet frigorifique par détente) si possible avec récupération du travail de détente (isentropique). Le cycle de référence est le cycle de Carnot.

• Aux températures cryogéniques, le choix du gaz de cycle se limite à l’Hélium.

CRYOREFRIGERATEURS: Quel cycle?

• Le cycle de Carnot n’est pratiquement pas réalisable…..

Max COP = Tf / (Tc-Tf)

1-2-3-4: Carnot (isotherme – isentrope)

1-2-3’-4’: Stirling (isotherme – isochore)

1-2-3’’-4’’: Ericsson (isotherme –isobare)

• …il sera nécessaire d’intégrer aux machines un régénérateur .

CRYOREFRIGERATEURS: Cycle de CARNOT?

• On lui demande des caractéristiques contraignantes: chaleur spécifique volumique>>Hélium, grande surface échange avec faible perte de charge…..

CRYOREFRIGERATEURS: Le R égénérateur

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CRYOREFRIGERATEURS: Performances th éoriques et pratiques

� Carnot Coefficient Of Performance

� COP = TFroide / (TAmbiante- TFroide)

� Puissance spécifique (W/W)

Compression Power/Cooling Power

� 1/COP = (TA- TF) / TF

� Valeurs théoriques (pour TA = 300K)

TF 80K 20K 4K

COP 0.364 0.071 0.0135

W/W 2.75 14.0 74.0

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� Atouts

� technologie mature (des centaines de milliers d’unités en opération pour le cryopompage dans l’industrie du semi conducteur et pour l’imagerie médicale: fiabilité et besoin en maintenance bien identifiés)

� la tête froide peut être séparée de l’unité

de compression (facilite l’ intégration)

� permettent la liquéfaction et/ou recondensation

N2 (jusqu’à 120 l/jour)

CRYOREFRIGERATEURS GIFFORD MAC-MAHON

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� Exemple de cryoréfrigérateurs GM de puissance intermédiaire commercialisés par CRYOMECH (US)

Performances typiques à 50Hz:

Model Puissance Tmini Conso. Rdt. p/rFroide Electr. Carnot

AL200 160W/80K 25K 5.5kW 8%AL230 40W/25K 15K

AL300 270W/80K 25K 7.5kW 8.6%AL330 60W/25K 10K

AL600 500W/80K 25K 14kW 10%

(20% puissance froide supplémentaire à 60Hz)


AL600 Cold head

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� Inconvénients

� unité de compression avec injection d’huile: nécessité d’un système de déshuilage (adsorbeur à charbon actif: maintenance, risque de pollution)

� doigt froid avec piston déplaceur/régénérateur et vanne rotative de distribution frottants (maintenance des jointsrequise, vibration)

� efficacité thermodynamique limitée


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CRYOREFRIGERATEURS A TUBE PULSE (Type GM)

� Le déplaceur mécanique est remplacé par un piston gazeux dans un tube à pulsations

� Pas de maintenance du doigt froid (sauf vanne de distribution)

� Faibles vibrations induites

� Même unité de compression que machines Gifford MacMahon

CRYOMECH PT4xxDe 0,3W à 1,5W @ 4.2K

Sumitomo Heavy Ind.0,5W @ 4.2K

Tansmit0,2W @ 4.2K

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CRYOREFRIGERATEURS A TUBE PULSE (Type GM)

Applications des Tubes à Gaz Pulsé 4K

� Cryostats secs (sans liquide cryogénique)

� Recondenseurs et liquéfacteurs Hélium (quelques l/jour)

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CRYOREFRIGERATEURS STIRLING

�Refrigérateurs Stirling de forte puissance cryogénique commercialisés par Stirling Cryogenics & Refrigeration Bv. (NL)

single piston single stage 1kW/80K 11.5kW 24% Carnot

four pistons single stage 4kW/80K 45kW

single piston two stages 50W/20K 11,5kW150W/80K

four piston two stages 200W/20K 45kW600W/80K

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� Atouts

� technologie éprouvée

� bonne efficacité thermodynamique

� systèmes intégrés

� Inconvénients

� piston de compresseur et détendeur de doigt froid frottant à commande par embiellage lubrifié (risque pollution) nécessitant une maintenance périodique complexe des joints de piston/déplaceur

� systèmes intégrés

� vibrations

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�Applications des machines Stirling: Liquéfaction LN2/LOX et réfrigération en boucle fermée de composants supraconducteurs HTS (Câbles, FCL, moteurs ou génératrices,..)


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