FR2818363A1

FR2818363A1 - Device for linking cold source with element to be carried to cryogenic temperature incorporating tube of alloy able to withstand cryogenic temperatures

Info

Publication number: FR2818363A1
Application number: FR0016682A
Authority: FR
Inventors: Angari Bernard Ruocco
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-06-21
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: FR2818363B1

Abstract

A device for liaison between a cold source and an element (16) brought to a cryogenic temperature during its utilization, comprises a thin tube (10) delimiting a channel destined to be occupied by a heat carrier, closed at one end by a cover connected thermally to the element and fixed at the other end to a base (12) in contact with the surroundings. The tube is made of a titanium based alloy incorporating 3 \!1% aluminum, 11\!1% chromium, 13\!1% vanadium or 20 to 25% vanadium and inevitable impurities.

Description

DISPOSITIF DE LIAISON A TEMPERATURE CRYOGENIQUE

La présente invention a pour objet un dispositif de liaison entre une source de froid et un élément porté à une température cryogénique lors de son utilisation ; elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les appareils embarqués ou déplaçables dont la source froide est constituée par une machine frigorifique fonctionnant en cycle fermé (par exemple en cycle de Striling). De telles machines frigorifiques ont un rendement très faible. CRYOGENIC TEMPERATURE BINDING DEVICE

The present invention relates to a connecting device between a cold source and an element brought to a cryogenic temperature during its use; it finds a particularly important, although not exclusive, application in on-board or movable devices whose cold source is constituted by a refrigerating machine operating in closed cycle (for example in Striling cycle). Such refrigerating machines have a very low efficiency.

Pour réduire les pertes thermiques, on a déjà proposé un dispositif comprenant un tube mince délimitant un canal occupé par un caloporteur de refroidissement de l'élément, ce tube étant relié thermiquement à une extrémité à l'élément. L'autre extrémité est fixée à une base qui est directement ou indirectement en contact avec l'ambiance, à température très supérieure. To reduce heat losses, a device has already been proposed comprising a thin tube delimiting a channel occupied by a coolant for cooling the element, this tube being thermally connected at one end to the element. The other end is fixed to a base which is directly or indirectly in contact with the atmosphere, at a much higher temperature.

Une étude a montré que les pertes par conduction dans le tube représentent plus de la moitié, et souvent près de 70 %, des pertes totales. Il est donc essentiel de constituer ce tube en des matériaux ayant un très faible coefficient de conductibilité thermique mais répondant aussi à d'autres exigences telles qu'une perméabilité très faible aux caloporteurs généralement utilisés (hydrogène et surtout hélium gazeux ou azote liquide) et une possibilité de raccordement étanche à la base et à l'élément à refroidir ou à son support. A study has shown that conduction losses in the tube account for more than half, and often almost 70%, of the total losses. It is therefore essential to constitute this tube in materials having a very low coefficient of thermal conductivity but also meeting other requirements such as a very low permeability to the coolants generally used (hydrogen and especially helium gas or liquid nitrogen) and a possibility of waterproof connection to the base and to the element to be cooled or to its support.

Pour arriver à ce résultat, le document FR-A-2 752 287 propose en conséquence un tube en un alliage à base de titane comportant de 6 à 8 % d'aluminium, de 1 à 5 % de vanadium ou de zirconium, 0,5 à 1 % de molybdène et éventuellement 2 % au plus d'étain. To achieve this result, document FR-A-2 752 287 therefore proposes a tube made of an alloy based on titanium comprising from 6 to 8% of aluminum, from 1 to 5% of vanadium or of zirconium, 0, 5 to 1% molybdenum and possibly 2% at most of tin.

Le gain apporté par ces alliages par rapport aux alliages à 6 % AI et 4 % Va couramment utilisé auparavant reste limité et le fait que ces alliages n'ont pas d'autres applications conduit à un coût très élevé, du fait qu'ils doivent être préparés spécialement. The gain provided by these alloys compared to the 6% AI and 4% Va alloys commonly used previously remains limited and the fact that these alloys have no other applications leads to a very high cost, owing to the fact that they must be specially prepared.

L'invention vise en conséquence à fournir un tube en un alliage présentant une conductibilité très réduite aux températures cryogéniques (proches de la température de liquéfaction de l'azote) requises pour des détecteurs infrarouge, répondant aux The invention therefore aims to provide a tube of an alloy having a very reduced conductivity at cryogenic temperatures (close to the liquefaction temperature of nitrogen) required for infrared detectors, responding to

autres exigences de cette application et d'un coût acceptable. Dans ce but, elle propose un dispositif de liaison entre une source de froid et un élément porté à une température cryogénique lors de son utilisation, comprenant un tube mince délimitant un canal destiné à être occupé par un caloporteur, fermé à une extrémité par un couvercle relié thermiquement à l'élément et fixé à l'autre extrémité à une base en contact avec l'ambiance, caractérisé en ce que le tube est constitué en un alliage à base de titane comportant : - soit 3 : t 1 % d'aluminium, 11 + 1 % de chrome et 13 + 1 % de vanadium, - soit 20 à 25 % de vanadium, - ainsi que les impuretés inévitables. other requirements of this application and an acceptable cost. To this end, it provides a connection device between a cold source and an element brought to a cryogenic temperature during its use, comprising a thin tube delimiting a channel intended to be occupied by a coolant, closed at one end by a cover. thermally connected to the element and fixed at the other end to a base in contact with the atmosphere, characterized in that the tube is made of a titanium-based alloy comprising: - either 3: t 1% aluminum , 11 + 1% chromium and 13 + 1% vanadium, - or 20 to 25% vanadium, - as well as the inevitable impurities.

Parmi les compositions répondant aux définitions ci-dessus, il a été constaté que les trois suivantes présentaient à la fois une conductivité thermique très basse aux températures nécessaires au fonctionnement des détecteurs infrarouge, une bonne aptitude à l'usinage permettant de réaliser des tubes très minces, une soudabilité satisfaisante, une bonne étanchéité à l'hélium sous des pressions différentielles pouvant atteindre 40 bars et qu'au surplus ils se rapprochaient de certains alliages utilisés pour la constitution d'ailettes en aéronautique : - 13% V, 11% Cret3% AI - 20% V - 25% V le reste étant du titane et des impuretés inévitables. Among the compositions meeting the above definitions, it was found that the following three exhibited both a very low thermal conductivity at the temperatures necessary for the operation of infrared detectors, a good machinability making it possible to produce very thin tubes , satisfactory weldability, good helium tightness under differential pressures of up to 40 bars and, moreover, they approached certain alloys used for the constitution of fins in aeronautics: - 13% V, 11% Cret3% AI - 20% V - 25% V the rest being titanium and unavoidable impurities.

Les tubes sont fabriqués par corroyage d'un lingot, puis usinage de haute précision et recuit de détensionnement complet, alors que les parties chaudes de moteur constituées en des alliages comparables sont à l'état recristallisé ou même à l'état monocristallin. The tubes are produced by working an ingot, then high-precision machining and complete stress relieving, while the hot engine parts made of comparable alloys are in the recrystallized state or even in the monocrystalline state.

D'autres caractéristiques encore apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de liaison ; Still other characteristics will appear on reading the following description of a particular embodiment, given by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a view in longitudinal section of a connecting device;

la figure 2 est un schéma simplifié montrant un appareil ayant un élément à porter à température cryogénique et une machine frigorifique miniature à cycle ferme, raccordée à la base du dispositif. FIG. 2 is a simplified diagram showing an apparatus having an element to be brought to cryogenic temperature and a miniature refrigeration machine with firm cycle, connected to the base of the device.

Le dispositif représenté schématiquement en figure 1 est du type décrit dans le document FR-A-2 752 287 auquel on pourra se reporter. Il comprend un tube mince 10 dont une extrémité est fixée à une base 12 et dont l'autre extrémité est fermée par un couvercle 14. Il est incorporé à un appareil de détection de rayonnement infrarouge dont le détecteur 16 est relié thermiquement au couvercle 14 sur lequel il est fixé. L'ensemble constitué par le détecteur et le dispositif de liaison, souvent qualifié de "doigt froid", est placé dans un cryostat ayant une chemise 18 et un hublot 20 en matériau transparent au rayonnement infrarouge à détecter. La cheminée 18 est également fixée de façon étanche à la base 12 et délimite un espace isolant sous vide. The device shown schematically in Figure 1 is of the type described in document FR-A-2 752 287 to which reference may be made. It comprises a thin tube 10, one end of which is fixed to a base 12 and the other end of which is closed by a cover 14. It is incorporated in an infrared radiation detection apparatus, the detector 16 of which is thermally connected to the cover 14 on which it is fixed. The assembly constituted by the detector and the connection device, often qualified as a "cold finger", is placed in a cryostat having a jacket 18 and a porthole 20 made of material transparent to infrared radiation to be detected. The chimney 18 is also tightly fixed to the base 12 and delimits an insulating space under vacuum.

Le canal délimité par le tube 10 communique avec une source de fluide cryogénique 20. The channel delimited by the tube 10 communicates with a source of cryogenic fluid 20.

La base reçoit un ensemble de liaison ayant un pion 22, qui s'engage dans le tube 10 et qui est percé d'un trou axial d'amenée de fluide cryogénique, et un manchon isolant 24. Le fluide cryogénique arrive au tube par le trou axial du pion et par des perçages radiaux du pion, du manchon et de la base. The base receives a connection assembly having a pin 22, which engages in the tube 10 and which is pierced with an axial hole for supplying cryogenic fluid, and an insulating sleeve 24. The cryogenic fluid arrives at the tube by the axial hole in the pin and by radial holes in the pin, the sleeve and the base.

Le tube 10 est en matériau à base de titane ayant un coefficient de conductibilité thermique très faible aux températures cryogéniques, une très faible perméabilité aux gaz, soudable au couvercle (qui doit être en matériau thermiquement conducteur) et à la base. Ce matériau contient, à titre d'additif, du vanadium et éventuellement d'autres éléments réduisant notablement sa conductibilité thermique. Cette conductibilité, à 20 C (en W/m. K) est de l'ordre de : - 7 pourl'alliageditTi-13-11-3, à8% AI, 13% V, 11% G, 3% AI - 4, 5 pour l'alliage dit Ti-20 V, à 20 % V - 4, 5 pour l'alliage dit Ti-25 V, à 25 % V. The tube 10 is made of titanium-based material having a very low thermal conductivity coefficient at cryogenic temperatures, a very low gas permeability, weldable to the cover (which must be made of thermally conductive material) and to the base. This material contains, as an additive, vanadium and possibly other elements significantly reducing its thermal conductivity. This conductivity, at 20 C (in W / m. K) is of the order of: - 7 for the alliageditTi-13-11-3, at 8% AI, 13% V, 11% G, 3% AI - 4 , 5 for the Ti-20 V alloy, at 20% V - 4, 5 for the Ti-25 V alloy, at 25% V.

A titre de comparaison, la conductibilité pour un alliage à 6 % AI et 4 % V est de 6,7. A 85K, la conductibilité est respectivement de l'ordre de - 3, 0 pour l'alliageditTi-13-11-3, à8% AI, 13% V, 11 % G, 3 % AI - 3, 5 pour l'alliage dit Ti-20 V, à 20 % V By way of comparison, the conductivity for an alloy with 6% AI and 4% V is 6.7. At 85K, the conductivity is respectively of the order of - 3.0 for the alloy. Ti-13-11-3, at 8% AI, 13% V, 11% G, 3% AI - 3.5 for the alloy. says Ti-20 V, at 20% V

- 3, 5 pour l'alliage dit Ti-25 V, à 25 % V. - 3, 5 for the alloy known as Ti-25 V, at 25% V.

A titre de comparaison, la conductibilité à cette température pour l'alliage à 6 % AI et Vaestde4, 5. For comparison, the conductivity at this temperature for the alloy at 6% AI and Vaestde4, 5.

Un dispositif a été réalisé avec un tube recuit du type ci-dessus de 6 mm de diamètre et 0,12 mm d'épaisseur. La base 12, destinée à recevoir le tube et la chemise 18, était également en alliage à base de titane, éventuellement identique à celui du tube, usinée et rectifiée, présentant un prolongement 26 dans lequel s'emboîte le tube 10. Pour faciliter le soudage du tube sur la base, l'extrémité du tube est avantageusement plus épaisse que la partie courante, sur une longueur de quelques millimètres. Le soudage était effectué par faisceau d'électrons ou laser sur une partie terminale de 0,4 mm d'épaisseur. L'extrémité fixée au couvercle 14, en titane pur (plus conducteur que l'alliage), était épaissie pour faciliter le soudage au couvercle par faisceau d'électrons ou laser. A device was produced with an annealed tube of the above type, 6 mm in diameter and 0.12 mm thick. The base 12, intended to receive the tube and the jacket 18, was also made of a titanium-based alloy, possibly identical to that of the tube, machined and rectified, having an extension 26 in which the tube 10 fits. To facilitate the welding the tube to the base, the end of the tube is advantageously thicker than the current part, over a length of a few millimeters. Welding was carried out by electron beam or laser on a 0.4 mm thick end section. The end fixed to the cover 14, made of pure titanium (more conductive than the alloy), was thickened to facilitate welding to the cover by electron beam or laser.

L'application et le mode de montage décrits en détail ne représentent que des exemples et le domaine d'application de l'invention s'étend à tous les systèmes de refroidissement d'une charge indiqués plus haut. The application and the mounting method described in detail represent only examples and the field of application of the invention extends to all the cooling systems of a charge indicated above.

Claims

1. Connecting device between a cold source and an element (16) brought to a cryogenic temperature during its use, comprising a thin tube (10) delimiting a channel intended to be occupied by a coolant, closed at one end by a cover thermally connected to the element and fixed at the other end to a base (12) in contact with the atmosphere, characterized in that the tube is made of a titanium-based alloy comprising: - either 3 + 1% of aluminum, 11 1% of chromium and 13 + 1% of vanadium, - that is to say 20 to 25% of vanadium, - as well as the inevitable impurities.

2. Device according to claim 1, characterized in that the alloy contains, in addition to titanium and inevitable impurities, 20% or 25% of vanadium.

3. Device according to claim 1, characterized in that the alloy contains, in addition to titanium and unavoidable impurities, 3% aluminum, 11% chromium and 13% vanadium.

4. Device according to claim 1,2 or 3, intended to carry at low temperature an element constituted by an infrared detector, further comprising a cryostat constituted by a jacket (18) surrounding the tube, fixed to the base and closed by a porthole (20) made of material transparent to infrared radiation.

5. Device according to claim 1, characterized in that the base, made of titanium alloy, and the cover, made of pure titanium, are welded to the tube, made of expanded alloy, by electron beam or by laser.