FR3129201A1 - Système de pompage cryogénique et intégration innovante pour la cryogénie Sub Kelvin inférieure à 1,5K - Google Patents
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Abstract
Dispositif de réfrigération (1) comprenant un premier circuit de travail (10) pour faire circuler un premier fluide de travail (11), le premier circuit de travail (10) comprenant les éléments suivants reliés en série par un premier réseau de conduites (70) : un premier compresseur (20);une unité de refroidissement (300); un troisième échangeur thermique (30);un premier détendeur (40) de type Joule-Thompson ;un premier réservoir (50) configuré pour être en échange thermique avec un objet à refroidir; le dispositif (1) comprenant également une enceinte (5) isolée thermiquement et le premier circuit de travail (10) comprend un premier organe de pompage (80) relié au premier réseau de conduites (70). FIGURE DE L’ABREGE : [Fig. 1]
Description
La présente invention concerne le domaine de la réfrigération à très basses températures et plus particulièrement le domaine des dispositifs de réfrigération à des températures avoisinant le Kelvin.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Il est connu un dispositif de réfrigération comprenant un circuit de circulation d’un fluide de travail comprenant un compresseur du fluide de travail, un premier échangeur thermique comprenant un premier canal chaud dans lequel circule un premier flux de fluide de travail à refroidir et un premier canal froid dans lequel circule un deuxième flux de fluide de travail pour refroidir le premier flux, un premier détendeur de type Joule-Thompson et un premier réservoir de séparation. Le dispositif de réfrigération comprend également un premier réseau de conduites reliant les éléments pour mettre en communication fluidique une première sortie du compresseur de laquelle est refoulé le premier fluide de travail avec une première entrée du premier canal chaud, une deuxième sortie du premier canal chaud avec une deuxième entrée du premier détendeur, une troisième sortie du premier détendeur avec une troisième entrée du premier réservoir, une quatrième sortie du premier réservoir avec une quatrième entrée du premier canal froid , une cinquième sortie du premier canal froid avec une cinquième entrée du premier compresseur par laquelle le premier fluide de travail est aspiré. Le dispositif de réfrigération comporte également un deuxième échangeur thermique qui comprend un deuxième canal chaud en échange thermique avec le premier réservoir. Un tel circuit fournit des frigories au deuxième canal froid du deuxième échangeur. Cependant, la pression du fluide de travail après qu’il a été refroidi à des températures très basses (inférieures au Kelvin) est faible, de l’ordre de 0.1 mbar. Il est ainsi nécessaire, pour pouvoir disposer d’une puissance frigorifique importante, d’introduire dans le premier circuit un important débit de fluide, ce qui, à des pressions faibles, requiert une capacité de pompage volumique importante et des conduites dimensionnées en conséquence. Cela conduit généralement à la mise en place d’un dispositif de compression très consommateur en énergie, aboutissant à un dispositif de réfrigération encombrant et dont l’exploitation est difficile et coûteuse.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but d’augmenter la puissance frigorifique d’un dispositif de réfrigération intégrant un détendeur de type Joule-Thompson.
A cet effet, on prévoit, un dispositif de réfrigération comprenant un premier circuit de travail pour faire circuler un premier fluide de travail, le premier circuit de travail comprenant les éléments suivants reliés en série par un premier réseau de conduites :
- un premier organe de transfert du fluide de travail ;
- une unité de refroidissement comprenant un premier échangeur thermique comportant un premier canal chaud et un premier canal froid reliés au premier circuit de travail, l’unité de refroidissement comportant également un deuxième échangeur thermique comprenant un deuxième canal chaud relié au premier circuit de travail et un deuxième canal froid relié à une première source froide;
- un troisième échangeur thermique comprenant un troisième canal chaud et un troisième canal froid;
- un premier détendeur de type Joule-Thompson ;
- un premier réservoir configuré pour être en échange thermique avec un objet à refroidir.
Selon l’invention, le dispositif comprend également une enceinte isolée thermiquement à l’intérieur de laquelle se trouve au moins une partie des éléments, le premier organe de transfert étant situé à l’extérieur de l’enceinte. Le premier circuit de travail comprend également un premier organe de pompage situé à l’intérieur de l’enceinte et raccordé au premier réseau de conduites.
On obtient ainsi un dispositif capable de faire circuler une quantité plus importante de fluide de travail dans le deuxième échangeur thermique sans modifier le premier organe de transfert, autorisant alors une performance améliorée pour un volume de dispositif donné et/ou une miniaturisation du dispositif de réfrigération.
Selon un mode de réalisation particulier, le premier réseau de conduites est agencé pour relier :
- une première sortie de l’organe de transfert de laquelle est refoulé le premier fluide de travail avec une première entrée du premier canal chaud ;
- une deuxième sortie du premier canal chaud avec une deuxième entrée du deuxième canal chaud;
- une troisième sortie du canal chaud à une troisième entrée du troisième canal chaud;
- une quatrième sortie du troisième canal chaud (31) avec une quatrième entrée du premier détendeur;
- une cinquième sortie du premier détendeur avec une cinquième entrée du premier réservoir ;
- une sixième sortie du premier réservoir avec une sixième entrée du troisième canal froid ;
- une septième sortie du troisième canal froid avec une huitième entrée du premier organe de transfert par laquelle le premier fluide de travail est aspiré ;
le premier organe de pompage étant situé entre la sixième sortie et la huitième entrée.
Avantageusement, le premier organe de pompage est directement relié à la huitième entrée.
Avantageusement encore, le premier organe de pompage est situé en aval de la septième sortie.
La température la plus froide produite par le dispositif est améliorée lorsque le dispositif comprend un deuxième détendeur de type Joule-Thompson et un deuxième réservoir, le deuxième détendeur comprenant une dixième entrée en communication fluidique avec le premier circuit en aval de la troisième sortie et une dixième sortie en communication fluidique avec une onzième entrée du deuxième réservoir, le deuxième réservoir comprenant une onzième sortie en communication fluidique avec la huitième entrée, le deuxième réservoir comprenant également un premier soutirage de fluide de travail en phase liquide en communication fluidique avec le premier circuit en amont de la troisième entrée.
La température la plus froide produite par le dispositif est encore améliorée lorsque le dispositif comprend un troisième détendeur de type Joule-Thompson, un troisième réservoir et un cinquième échangeur de chaleur comportant un cinquième canal chaud et un cinquième canal froid, le troisième détendeur comprenant une douzième entrée en communication fluidique avec le premier circuit en aval de la troisième sortie et une douzième sortie en communication fluidique avec une treizième entrée du troisième réservoir, le troisième réservoir comprenant une treizième sortie en communication fluidique avec la huitième entrée, le troisième réservoir de séparation comprenant également un deuxième soutirage de fluide de travail en phase liquide en communication fluidique avec une quatorzième entrée du cinquième canal chaud, une quatorzième sortie du cinquième canal chaud étant en communication fluidique avec le premier circuit en amont de la troisième entrée, une quinzième entrée et une quinzième sortie du troisième canal froid étant en communication fluidique avec le premier circuit en aval de la septième sortie.
Préférentiellement, le dispositif de réfrigération comprend un sixième échangeur de chaleur comportant un sixième canal chaud et un sixième canal froid, un quatrième détendeur de type Joule-Thompson et un quatrième réservoir, le sixième canal chaud comprenant une seizième entrée en communication fluidique avec le premier circuit de travail entre la première sortie et la troisième entrée et le sixième canal froid comprend une seizième sortie en communication fluidique avec le premier circuit de travail en aval de la cinquième sortie.
Avantageusement, le premier fluide de travail comprend une proportion volumique d’Hélium 4 supérieure à 99,9%.
Avantageusement, encore, le dispositif comprend un deuxième circuit de travail pour faire circuler un deuxième fluide de travail au moyen d’un deuxième organe de transfert et d’une deuxième pompe cryogénique, le deuxième circuit de travail comprenant au moins une première portion de conduite en échange thermique avec le premier réservoir.
Préférentiellement, le deuxième organe de transfert est situé à l’extérieur de l’enceinte. Une amélioration notable est obtenue lorsque le deuxième circuit comprend au moins une deuxième portion de conduite en échange thermique avec le deuxième réservoir et/ou que le deuxième circuit de travail comprend également un cinquième détendeur de type Joule Thompson. Le deuxième fluide de travail peut comprendre une proportion volumique d’Hélium 3 supérieure à 99,9%.
L’invention concerne également un procédé de réfrigération à l’aide d’un dispositif tel que décrit ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes :
– compression du premier fluide de travail ;
- refroidissement du premier fluide de travail,
- détente isenthalpique du premier fluide de travail ;
- séparation du premier fluide de travail en une première phase liquide et une deuxième phase gazeuse ;
– réchauffage du premier fluide ;
- pompage du premier fluide.
En sus, l’étape de détente isenthalpique du premier fluide de travail est réalisée de manière à amener le premier fluide de travail à une température comprise entre cinq cent millikelvins et 4,5 Kelvins avant l’étape de séparation.
Avantageusement, le procédé comprend les étapes suivantes :
– compression du deuxième fluide de travail ;
- refroidissement du deuxième fluide de travail,
- détente isenthalpique du deuxième fluide de travail ;
- séparation du deuxième fluide de travail en une première phase liquide et une deuxième phase gazeuse ;
– réchauffage du deuxième fluide ;
- pompage du deuxième fluide.
Avantageusement encore, l’étape de détente isenthalpique du deuxième fluide de travail est réalisée de manière à amener le deuxième fluide de travail à une température comprise entre trois cents et sept cents millikelvin avant l’étape de séparation.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
Claims (17)
- Dispositif de réfrigération (1) comprenant un premier circuit de travail (10) pour faire circuler un premier fluide de travail (11), le premier circuit de travail (10) comprenant les éléments suivants reliés en série par un premier réseau de conduites (70) :
- un premier organe de transfert (20) du fluide de travail (11) ;
- une unité de refroidissement (300) comprenant un premier échangeur thermique (310) comportant un premier canal chaud (311) et un premier canal froid (312) reliés au premier circuit de travail (10), l’unité de refroidissement (300) comportant également un deuxième échangeur thermique (320) comprenant un deuxième canal chaud (321) relié au premier circuit de travail (10) et un deuxième canal froid (322) relié à une première source froide (330);
- un troisième échangeur thermique (30) comprenant un troisième canal chaud (31) et un troisième canal froid (32) ;
- un premier détendeur (40) de type Joule-Thompson ;
- un premier réservoir (50) configuré pour être en échange thermique avec un objet à refroidir;
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel
le premier réseau de conduites (70) est agencé pour relier :- une première sortie (21) de l’organe de transfert (20) de laquelle est refoulé le premier fluide de travail (11) avec une première entrée (313) du premier canal chaud (311) ;
- une deuxième sortie (314) du premier canal chaud (311) avec une deuxième entrée (323) du deuxième canal chaud (321) ;
- une troisième sortie (324) du canal chaud (321) à une troisième entrée (33) du troisième canal chaud (31) ;
- une quatrième sortie (34) du troisième canal chaud (31) avec une quatrième entrée (41) du premier détendeur (40) ;
- une cinquième sortie (42) du premier détendeur (40) avec une cinquième entrée (51) du premier réservoir (50) ;
- une sixième sortie (52) du premier réservoir (50) avec une sixième entrée (35) du troisième canal froid (32) ;
- une septième sortie (36) du troisième canal froid (32) avec une huitième entrée (22) du premier compresseur (20) par laquelle le premier fluide de travail (11) est aspiré ;
- Dispositif de réfrigération (1) selon la revendication 2, dans lequel le premier organe de pompage (80) est directement relié à la huitième entrée (22).
- Dispositif de réfrigération (1) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le premier organe de pompage (80) est situé en aval de la septième sortie (36).
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant un deuxième détendeur (90) de type Joule-Thompson et un deuxième réservoir (100), le deuxième détendeur (90) comprenant une dixième entrée (91) en communication fluidique avec le premier circuit (10) en aval de la troisième sortie (324) et une dixième sortie (92) en communication fluidique avec une onzième entrée (101) du deuxième réservoir (100), le deuxième réservoir (100) comprenant une onzième sortie (102) en communication fluidique avec la huitième entrée (22), le deuxième réservoir (100) comprenant également un premier soutirage (103) de fluide de travail (11) en phase liquide en communication fluidique avec le premier circuit (10) en amont de la troisième entrée (33).
- Dispositif de réfrigération selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, comprenant un troisième détendeur (110) de type Joule-Thompson, un troisième réservoir (120) et un cinquième échangeur de chaleur (130) comportant un cinquième canal chaud (131) et un cinquième canal froid (132), le troisième détendeur (110) comprenant une douzième entrée (111) en communication fluidique avec le premier circuit (10) en aval de la troisième sortie (324) et une douzième sortie (112) en communication fluidique avec une treizième entrée (121) du troisième réservoir (120), le troisième réservoir (120) comprenant une treizième sortie (122) en communication fluidique avec la huitième entrée (22), le troisième réservoir (120) comprenant également un deuxième soutirage (123) de fluide de travail (11) en phase liquide en communication fluidique avec une quatorzième entrée (133) du cinquième canal chaud (131), une quatorzième sortie (134) du cinquième canal chaud (131) étant en communication fluidique avec le premier circuit (10) en amont de la troisième entrée (33), une quinzième entrée (135) et une quinzième sortie (136) du cinquième canal froid (132) étant en communication fluidique avec le premier circuit (10) en aval de la septième sortie (36).
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant un sixième échangeur de chaleur (150) comportant un sixième canal chaud (151) et un sixième canal froid (152), un quatrième détendeur (160) de type Joule-Thompson et un quatrième réservoir (170), le sixième canal chaud (151) comprenant une seizième entrée (153) en communication fluidique avec le premier circuit de travail (10) entre la première sortie (21) et la troisième entrée (33) et le sixième canal froid (152) comprend une seizième sortie (156) en communication fluidique avec le premier circuit de travail (10) en aval de la cinquième sortie (42).
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier fluide de travail (11) comprend une proportion volumique d’Hélium 4 supérieure ou égale à 99,9%.
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un deuxième circuit de travail (180) pour faire circuler un deuxième fluide de travail (181) au moyen d’un deuxième organe de transfert (190) et d’une deuxième pompe cryogénique (220), le deuxième circuit de travail (180) comprenant au moins une première portion (261) de conduite en échange thermique avec le premier réservoir (50).
- Dispositif de réfrigération (1) selon la revendication 9, dans lequel le deuxième organe de transfert (190) est situé à l’extérieur de l’enceinte (5).
- Dispositif de réfrigération (1) selon les revendications 9 et 5, dans lequel le deuxième circuit de travail (180) comprend au moins une deuxième portion (262) de conduite en échange thermique avec le deuxième réservoir (100).
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel le deuxième circuit de travail (180) comprend également un cinquième détendeur (200) de type Joule Thompson.
- Dispositif de réfrigération (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 12 dans lequel le deuxième fluide de travail (181) comprend une proportion volumique d’Hélium 3 supérieure ou égale à 99,9%.
- Procédé de réfrigération à l’aide d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
– compression du premier fluide de travail ;
- refroidissement du premier fluide de travail,
- détente isenthalpique du premier fluide de travail ;
- séparation du premier fluide de travail en une première phase liquide et une deuxième phase gazeuse ;
– réchauffage du premier fluide ;
- pompage du premier fluide. - Procédé selon la revendication 14, dans lequel l’étape de détente isenthalpique du premier fluide de travail est réalisée de manière à amener le premier fluide de travail à une température comprise entre cinq cent millikelvins et 4,5 Kelvins avant l’étape de séparation.
- Procédé de réfrigération à l’aide d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 à 13 comprenant les étapes suivantes :
– compression du deuxième fluide de travail ;
- refroidissement du deuxième fluide de travail,
- détente isenthalpique du deuxième fluide de travail ;
- séparation du deuxième fluide de travail en une première phase liquide et une deuxième phase gazeuse ;
– réchauffage du deuxième fluide ;
- pompage du deuxième fluide. - Procédé selon la revendication 16, dans lequel l’étape de détente isenthalpique du deuxième fluide de travail est réalisée de manière à amener le deuxième fluide de travail à une température comprise entre trois cents et sept cents millikelvin avant l’étape de séparation.
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