5.4 Système de pompage
5.4.4 Caractérisation du système par circulation d’ 4 He
n(µmoles.s
−1) = 314.P
jauge−49 avec P
jaugeen mB (5.16)
Pour des pressions comprises entre 0,2 mB et 1,3 mB le calcul du débit s’effectue en
utili-sant la formule 5.17.
˙
n(µmoles.s
−1) = 278.P
jaugeavec P
jaugeen mB (5.17)
En nous servant de ces deux lois, il est possible de mesurer le débit de circulation entre 14
et 1100µmoles.s
−1environ.
5.4.4 Caractérisation du système par circulation d’
4He
La température de l’évaporateur est mesurée par un thermomètre à résistance de carbone
Allen Bradley 47Ωétalonnée (B47Bleu). Le thermomètre est thermalisé à l’évaporateur sur
la bride de connexion avec l’échangeur continu. Une résistance de chauffage de 100Ωpermet
d’appliquer de la chaleur sur l’évaporateur.
Le test a consisté à condenser de l’
4He jusqu’à ce que l’évaporateur soit plein. Nous avons
pom-page. Dans ce contexte, nous avons pu effectuer nos mesures en nous affranchissant des effets
de la condensation.
L’essai est mené avec le groupe de pompage composé des deux pompes à palettes
fournis-sant un débit de pompage de 36 m
3.h
−1et la pompe turbomoléculaire Leybold TW701.
L’en-ceinte du calorimètre n’était pas thermalisée et sa température était donc de 16 K environ.
5.4.4.1 Vérification de la mesure du débit
En fonction de la puissance de chauffage appliquée sur l’évaporateur nous avons relevé sa
température et noté la pression sur les pompes primaires. Il est ainsi possible de mesurer le
débit de deux façons différentes : soit à partir de la jauge Pirani, soit en calculant un débit
théorique que l’on obtient à partir de la puissance appliquée et de la chaleur latente [14] de
l’
4He à la température de l’évaporateur. Nous avons pu confronter notre étalonnage de la
jauge à une méthode de mesure du débit totalement différente. Nos mesures sont présentées
sur le graphique de la figure 5.17.
F
IG. 5.17: Comparaison du débit mesuré à partir de la pression sur les pompes primaires
avec le débit théorique calculé en fonction de la puissance appliquée sur l’évaporateur et de
la chaleur latente de l’
4He à T
evaporateurNous constatons que les deux mesures du débit sont cohérentes. Le décalage entre les deux
mesures provient des pertes thermiques sur l’évaporateur. Ces pertes sont de trois natures :
la conduction dans le tube de pompage de l’échangeur (inférieure à 200µW), le rayonnement
du calorimètre sur l’écran de l’évaporateur (120µW lorsque le calorimètre est à 16 K) et la
conduction par le film superfluide.
Le débit généré par les pertes est de 20µmoles.s
−1Le diamètre du diaphragme de l’évaporateur est de 2 mm. A partir de l’équation 1.3 page 7
nous calculons que le débit d’
4He dû au film superfluide est d’environ 5µ.moles.s
−1. 23µmoles.s
−1de débit sont dus aux pertes thermiques par conduction et rayonnement.
La température minimum de l’évaporateur est de 850 mK. A cette température la chaleur
latente de l’
4He est de 78 J.mole
−1. Nous calculons ainsi que la charge thermique sur
Lors d’un même essai avec l’enceinte du calorimètre thermalisée sur le tube à gaz pulsé, le
débit était inférieur à celui mesuré ici. La pression sur les pompes primaires était en effet
de 0,1 mB, ce qui réduit significativement le débit des pompes. Nous n’avons pas
d’étalon-nage de la jauge à cette pression, mais nous voyons que celui-ci sera raisonnablement en
accord avec les pertes thermiques que nous avions calculées. En régime de dilution, des essais
complémentaires avec et sans écran thermique sur l’évaporateur ont permis de mesurer une
augmentation de 30µmoles.s
−1du débit de circulation. Enfin, lorsque l’écran est monté, le
dé-bit augmente de 60µmoles.s
−1quand l’enceinte du calorimètre n’est pas thermalisée au tube
à gaz pulsé. Nous pensons que lors ce ce test, un contact entre l’écran et l’enceinte apportait
une puissance parasite. Celle-ci est faible, car l’écran est muni d’un ruban adhésif en kapton,
précisément pour limiter les risques de contact.
5.4.4.2 Pression de pompage sur l’évaporateur
A partir de la température de l’évaporateur nous avons déduit la pression de pompage sur
celui-ci à partir des tables de pression de vapeur de l’
4He. Les graphiques de la figure 5.18
donnent la température de l’évaporateur et les pressions de pompage correspondantes.
Tévaporateur en Fct. du débit d'4He
800 900 1000 1100 0 100 200 300 400 Débit 4He(µ.mole/s) T é va p o ra te u r (mK) Pévaporateur en Fct. du débit d'4 He 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0 100 200 300 400 Débit 4He(µ.mole/s) P é va p o ra te u r (mB)
F
IG. 5.18: Température de l’évaporateur et pression de pompage en fonction du débit d’
4He
Nous constatons que la pression de pompage sur l’évaporateur augmente rapidement avec
le débit d’
4He. Cela s’explique par la perte de charge à basse pression, puis par la baisse des
•Pertes de charge dans la ligne de pompage
Afin de calculer les pertes de charge dans la ligne de pompage nous avons commencé par
vérifier nos mesures de pression du banc de pompage aux caractéristiques données par
Ley-bold pour de l’
4He.
La jauge de pression sur la pompe turbomoléculaire est placée en entrée du banc de
pom-page. Le tube de pompage entre la prise de pression et la pompe turbomoléculaire est long de
120 cm avec un diamètre de diamètre 100 mm. En calculant et en ajoutant la perte de charge
créée par ce tube à la pression de pompage d’
4He donnée par Leybold nous avons pu comparer
cette pression à nos mesures (graphique de la figure 5.19).
F
IG. 5.19: Comparaison de la pression mesurée sur la pompe turbomoléculaire avec les
don-nées du constructeur
Nous constatons que nos mesures correspondent aux performances données par Leybold
entre 60 et 150µmoles.s
−1pour des pressions comprises entre 10
−3et 5.10
−2mB. Lorsque
nous ajoutons la perte de charge correspondant à la longueur de tube de pompage dans le
banc, nous en concluons que la jauge Pirani est juste dans cette gamme de pression.
Il apparaît en revanche qu’au dessus de 10
−1mB la pression mesurée est fausse car elle
est inférieure à celle donnée par Leybold à des débits équivalents. A ces pressions, la perte de
charge dans la conduite est très faible. Nous avons donc considéré que la pression de pompage
du banc était égale, entre 60 et 400µmoles.s
−1, à celle donnée par Leybold, majorée des pertes
de charge dans le banc.
A partir de cette pression de pompage recalée, nous avons calculé l’écart de pression entre
le banc de pompage et l’évaporateur. Le graphique de la figure 5.20 donne l’évolution de la
perte de charge dans la ligne de pompage en fonction du débit de circulation d’
4He.
Nous constatons que les pertes de charge sont prépondérantes dans la gamme de débits
0-200µmoles.s
−1et créent une sur-pression de 80 % sur l’évaporateur par rapport à la capacité
de pompage de la pompe turbomoléculaire. Cela est néfaste au fonctionnement du
réfrigéra-teur car la température de l’évaporaréfrigéra-teur sera élevée et le débit d’
3He circulé sera de ce fait
F
IG. 5.20: Pertes de charge entre le banc de pompage et l’évaporateur en fonction du débit
d’
4He
hautes pressions aux forts débits et que cela est du à la pompe turbomoléculaire qui atteint
ses limites.
Nous concluons que la conductance de l’échangeur JT réalisé est insuffisante. Cela peut
être facilement remédié car nous verrons par la suite que l’efficacité de l’échangeur est très
bonne et qu’il est donc envisageable de diminuer l’échange thermique au profit de la
conduc-tance. La figure 5.21 montre l’effet d’une réduction de la perte de charge par un facteur deux
ou trois, sur la température de l’évaporateur. Des tests complémentaires d’ajustement de
l’échangeur sont donc souhaitables. L’échangeur a d’ailleurs été conçu de manière à pouvoir
ajuster sa géométrie.
Dans le document
Développement d'un réfrigérateur à dilution prérefroidi par un tube à gaz pulsé
(Page 153-158)