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Page 1 CRYOPOMPAGE & CRYOREFRIGERATEURS A.Ravex Consultant alain.ravex@absolut-

Page 1 CRYOPOMPAGE & CRYOREFRIGERATEURS A.Ravex Consultant alain.ravex@absolut-system.com Page 2 • 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 Page 3 CRYOPOMPAGE Page 4 • 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 à propulsion ionique) et process semi-conducteur. • Pompage avec confinement et possibilité de régénération de gaz toxiques: notamment pour la fusion nucléaire. CRYOPOMPAGE: Quels besoins/quelles applications? Page 5 • Production du vide par condensation et / ou adsorption des molécules du gaz à pomper sur des surfaces refroidies à très 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 à pression atmosphérique Azote (77K), Hydrogène (20,3K) et Hélium (4,2K) ou températures intermédiaires au moyen de cryoréfrigérateurs. CRYOPOMPAGE: Principe Page 6 • Vide limite déterminé par la tension de vapeur du gaz considéré à la 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 Page 7 • En ultravide (P<10-6 Pa) l’hydrogène et l’hélium ne peuvent être pompés par condensation et nécessitent la cryosorption. CRYOPOMPAGE: Condensation Courbes de tensions de vapeur saturante Page 8 • 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 CRYOPOMPAGE: Condensation Page 9 • 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 à plusieurs 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 Page 10 • 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 Page 11 • Caractéristiques physiques de quelques adsorbants : CRYOPOMPAGE: Adsorbants Matériau Surface massique m3/g Volume poreux cm3/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 à 1200 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 à 360 0,40 0,74 à 0,80 22 et 44 350 Granulés sphères 0,2 à 1 Silicagel (type R) 750 à 800 0,45 0,72 22 175 Granulés Page 12 CRYOPOMPAGE: Isothermes d’adsorption Page 13 • Le débit volumétrique 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/2π π π πM)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 Page 14 • 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 à la température TS de la cryosurface: Sth = α α α α . 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 Page 15 • 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, α α α αM Coefficient Transmission Photons, α α α αP Baffle Chevron >>>>>>>> 0,20 à 0,25 10-3 Baffle « louver » /////////////// 0,40 10-1 Page 16 • 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. CRYOPOMPAGE: Structure des cryopompes Page 17 • Exemples de schémas de réalisation de cryopompes refroidies par fluides cryogéniques bouillants: CRYOPOMPAGE: Structure des cryopompes Page 18 • Structure de cryopompe refroidie par cryoréfrigérateur: CRYOPOMPAGE: Structure des cryopompes Page 19 • refroidies par cryoréfrigérateur: applications semiconducteurs: CRYOPOMPAGE: Exemple de cryopompes Page 20 • refroidies par cryoréfrigérateur: CRYOPOMPAGE: Exemple de cryopompes Page 21 • 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) CRYOPOMPAGE: Exemple de cryopompes 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 Page 22 • refroidies par cryoréfrigérateur et circulation LN2 pour chambres de simulation spatiale. CRYOPOMPAGE: Exemple de cryopompes Diamètre 1250mmm: <10-6 mbar N2: 50.000l/sec H2: 60.000l/sec Eau: 150.000l/sec Argon: 45.000l/sec Page 23 • PIVOINE (CNRS/Orleans): moyen d’essais moteurs spatiaux à propulsion 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 » Page 24 • shéma de la cryopompe « évolution » PIVOINE: exemple de cryopompe « sur mesure » Page 25 Le caisson d’essai et la cryopompe avant et après modification PIVOINE: exemple de cryopompe « sur mesure » Page 26 CRYOREFRIGERATEURS Page 27 • 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? Page 28 • En laboratoire, uploads/Sante/ cryopompage-cryorefrigerateurs-lille-2010-pdf.pdf