tude des transferts thermiques de lhlium superfluide dans

Étude des transferts thermiques de l’hélium superfluide dans des microtubes Présentée par Lise CEBALLOS Tuteur: M. BAUDOUY 03/09/10 1

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Sommaire • Hélium • Objectifs du stage • Expériences • Difficultés rencontrées • Résultats 2

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Hélium 3

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Particularité • 2 phases liquides Fluide « classique » avec des propriétés proches de celles d’un gaz • Très bon conducteur de chaleur • Viscosité très faible Diagramme des phases de l’hélium dans le plan (P, T) Sous P=1 bar, transition à =2. 163 K 4

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Modèle à 2 fluides • L’hélium superfluide est composé : �D’un fluide normal Transporte la chaleur �D’un superfluide Conservation de la quantité de mouvement pour un fluide au repos: Convection interne 5

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Régimes thermiques He II d • En régime stationnaire: �A bas flux de chaleur: régime de Landau Avec ρ la masse volumique de l’hélium superfluide, s son entropie, η la viscosité du fluide normal, β =2 dans le cas d’un tube �A flux de chaleur élevé: régime de Gorter-Mellink Avec A le coefficient de Gorter-Mellink Terme de Gorter-Mellink 6

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Objectifs du stage 7

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Etude d’un microtube • Présence de l’He II dans des microtubes lors du refroidissement d’aimants supraconducteurs Canaux de 10 -100 µm 1ère couche 2ème couche Hélium superfluide 2ème couche 1ère couche Câble dit de Rutherford Couches d’isolants entourant le câble Schématisation des couches d’isolants Régime de Gorter-Mellink jusqu’à 50 μm 8

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Objectifs • Test d’un nouveau système expérimental • Étude des régimes thermiques dans un microtube de 150 μm de diamètre �Régime permanent �Hélium superfluide pressurisé à 1 bar • Flux de Gorter-Mellink: • Détermination du coefficient A de Gorter-Mellink 9

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Expériences 10

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Principe de l’expérience Hélium superfluide • Flux variable en entrée L • Flux de Gorter-Mellink: Calculs effectués avec HEPAK 11

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Système expérimental Bain maintenu à température constante Microtube de 150 μm de diamètre 18 mm 10 mm 5 mm Hélium superfluide Micarta Capteur de température Chauffeur Époxy DP 190 5 mm 25 mm 35 mm Capteur de température à l’intérieur du chauffeur 12

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Système expérimental Microtube Isolant époxy Vue de face du système Vue de face du microtube au microscope électronique Fils reliés au chauffeur Fils reliés au capteur de température Vue de dessus du système 13

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Cryostat double-bain Schéma simplifié du cryostat double-bain dans le cas où le bain est maintenu à 2 K • P=1 bar et entre 1, 7 K et 2, 1 K 14

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Difficultés rencontrées 15

Isolation du microtube • Résultat pour = 1, 9 K : 16

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Modification du système Ajout de 40 mm d’isolant époxy Hélium superfluide Micarta Époxy Résistance thermique des isolants: Résistance thermique de l’hélium superfluide du microtube: vaut de l’unité jusqu’à 17

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Modification du système Ancien tube Ajout d’isolant époxy Nouveau tube 32 mm 35 mm 18

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Comparaison des tubes Résultat pour = 2, 0 K : Différence de température ΔT entre l’entrée et la sortie du tube en fonction de la puissance Q 0. 2 0. 18 0. 16 ΔT (K) 0. 14 mesure avec le nouveau tube 0. 12 0. 1 mesure avec l'ancien tube 0. 08 0. 06 flux de Gorter-Mellink calculé avec HEPAK 0. 04 0. 02 0 0 0. 0005 0. 0015 0. 002 Q (W) Pas de changement entre les deux tubes: la fuite thermique provient d’ailleurs Restriction de l’étude aux bas flux de chaleur 19

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Résultats 20

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Résultats à bas flux Résultat pour = 1, 9 K : Différence de température ΔT entre l’entrée et la sortie du tube en fonction du flux de chaleur q 0. 018 0. 016 ΔT (K) 0. 014 0. 012 mesure expérimentale 0. 01 0. 008 flux de Gorter-Mellink calculé par HEPAK 0. 006 0. 004 0. 002 0 5, 000 10, 000 15, 000 q (W. m-2) 20, 000 25, 000 Résultats proches de la théorie pour toutes les températures testées 21

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Coefficient de Gorter-Mellink Sur une plage de température telle que On trace ΔT en fonction de On obtient A(T). . 22

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Coefficient de Gorter-Mellink Evolution de la différence de température ΔT en fonction de pour =1, 9 K 23

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion Coefficient de Gorter-Mellink en fonction de la température T Résultats proches de la théorie 24

Introduction Hélium Objectifs du stage Expériences Difficultés rencontrées Résultats Conclusion • Problème de perte thermique • Principe de l’expérience à modifier • Bons résultats à faibles flux de chaleur • Coefficient de Gorter-Mellink proche de la théorie 25

Merci pour votre attention! 26