WO2023161594A1 - Systeme de refroidissement cryogenique - Google Patents

Systeme de refroidissement cryogenique Download PDF

Info

Publication number
WO2023161594A1
WO2023161594A1 PCT/FR2023/050267 FR2023050267W WO2023161594A1 WO 2023161594 A1 WO2023161594 A1 WO 2023161594A1 FR 2023050267 W FR2023050267 W FR 2023050267W WO 2023161594 A1 WO2023161594 A1 WO 2023161594A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cryogenic
gas
heat exchanger
exchanger
cooling
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050267
Other languages
English (en)
Inventor
Jerome Lacapere
Elias REHAYEM
Original Assignee
Absolut System
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Absolut System filed Critical Absolut System
Publication of WO2023161594A1 publication Critical patent/WO2023161594A1/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D13/08—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned the air being heated or cooled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F25D3/105—Movable containers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/001—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F25J1/0065—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0259—Modularity and arrangement of parts of the liquefaction unit and in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0275—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the liquefaction unit, e.g. portable or transportable devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60P—VEHICLES ADAPTED FOR LOAD TRANSPORTATION OR TO TRANSPORT, TO CARRY, OR TO COMPRISE SPECIAL LOADS OR OBJECTS
    • B60P3/00—Vehicles adapted to transport, to carry or to comprise special loads or objects
    • B60P3/20—Refrigerated goods vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/90—Boil-off gas from storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration
    • F25J2270/91—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration using pulse tube refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Definitions

  • the present invention relates to a mobile cryogenic cooling system.
  • a Turbo-Brayton type cooling system uses compression, cooling and expansion processes in order to obtain cooling by adiabatic expansion of a gas initially at ambient temperature.
  • Such a cooling system can have several levels of compression by successive compressors. Each compression causes the compressed gas to heat up.
  • gas compression is carried out at ambient temperature and a radiator or other cooling device is used downstream of each compressor in order to cool the compressed gas to a temperature close to ambient temperature, by dissipating energy compressed gas.
  • the compressed gas is then greatly cooled in a recovery exchanger and then reaches its minimum temperature by expansion downstream of said recovery exchanger.
  • the gas can therefore be used for the intended application, for example the cooling of a superconducting device such as a propulsion engine, or the liquefaction of another gas such as hydrogen.
  • the gas temperature increases due to heat exchange with the device to be cooled.
  • the gas is then reused as a cold source to cool the compressed gas in the recuperative exchanger and its temperature increases to a value close to ambient temperature.
  • the gas is directly reintroduced into the system by successive compressions.
  • recuperative exchangers are required for heat exchange between a low temperature of about 20K and a high temperature which is slightly above the temperature of the environment of the system, which is typically around 290K on the ground and can drop to around 220K for an aircraft at altitude.
  • recuperator exchangers For the condensation or liquefaction of hydrogen from cold hydrogen vapour, the low temperature is 205 K, requiring recuperator exchangers which are also very efficient.
  • Figure 1 illustrates such a cooling system.
  • the compressed gas is cooled to ambient temperature by radiators 1b and 2b.
  • the gas is then cooled to a temperature of approximately 20-25 K by passing through a recuperator exchanger 3 (“counterflow heat exchanger” according to the Anglo-Saxon terminology) in the conduit 3a.
  • a recuperator exchanger 3 (“counterflow heat exchanger” according to the Anglo-Saxon terminology) in the conduit 3a.
  • the gas is expanded in an expansion member 4 which is typically an expansion turbine.
  • the gas reaches a temperature of 17-18 K and is therefore capable of cooling an application 50 such as a superconducting motor to 20 K.
  • the gas temperature becomes close to 20K.
  • the gas is returned to recuperator exchanger 3, in which it is used to cool the compressed gas to ambient temperature in conduit 3a.
  • said gas is heated to a temperature close to ambient temperature and can be reintroduced into the method of successive compressions from compressor 1a.
  • Such cooling systems are heavy and very bulky. Even for relatively short cooling times, such as a short flight, the required system has a large footprint and mass because it requires the same components as a system designed for long-term cooling. Furthermore, the electrical consumption of such systems is high.
  • An object of the invention is to design a lighter and less bulky mobile cryogenic cooling system, having reduced electrical consumption, comprising: o at least one compressor for compressing a cryogenic gas and at least one radiator arranged downstream of said compressor for cooling the compressed cryogenic gas, o at least one expansion valve for expanding the compressed cryogenic gas, o a heat exchanger adapted to be coupled to a device to be cooled by the expanded cryogenic gas, o two recuperator exchangers, adapted for an energy exchange between the compressed cryogenic gas upstream of the expander and the expanded cryogenic gas downstream of the heat exchanger, characterized in that it comprises at least one intermediate heat exchanger, cooled by a cooling device, and in that the intermediate heat exchanger is arranged so as to cool the cryogenic gas coming from the first exchanger-recovery before the passage of said cryogenic gas into the second exchanger-recovery, the pressure reducer being arranged downstream of said second exchanger-recovery so as to cool said gas to a cryogenic temperature.
  • Such a system is versatile in the sense that it makes it possible to adapt its mass and its volume to the duration of use. It is thus possible to design a system having a minimum mass and volume for a target temperature and a known duration of use. THE system also makes it possible to adapt locally to the constraints, because the intermediate exchanger can be cooled by different cold sources.
  • the cooling device comprises a cryogenic fluid providing heat exchange with the intermediate heat exchanger.
  • the weight and size can be adapted according to the duration of use, such as the duration of a flight for an application in an airplane, by limiting the volume of cryogenic fluid to the volume required for the duration of the use of the system.
  • the cryogenic fluid is nitrogen or methane.
  • the cooling device comprises at least one cryorefrigerator of the Turbo-Brayton type, a cryorefrigerator based on the Stirling cycle or a pulsed tube.
  • the efficiency of the first recovery exchanger is lower than the efficiency of the second recovery exchanger.
  • the heat exchanger is adapted to cool a device to a temperature between 17 K and 50 K and more advantageously between 17 K and 20 K.
  • the radiators comprise fixing elements adapted to hold said heat exchanger on an outer wall of an aircraft or are thermally connected to a structure cooled by the external environment of said aircraft.
  • the invention also relates to an electrically powered vehicle or aircraft using at least one superconducting element comprising a cryogenic cooling system as described above, said cooling system being arranged so as to thermally couple the heat exchanger to the at least one superconducting element to be cooled.
  • the radiators are arranged on an outer wall of said vehicle or aircraft or in heat exchange with the external environment of said vehicle or aircraft.
  • said electrically powered vehicle or aircraft comprises a fluidic connector able to fluidically connect the cold source to a source of cryogenic fluid to cool the heat exchanger to a cryogenic temperature.
  • said electrically powered vehicle or aircraft further comprises a tank of cryogenic fluid arranged in said vehicle or aircraft, said cryogenic fluid being in fluidic connection with the intermediate heat exchanger to cool said heat exchanger to a cryogenic temperature.
  • the invention also relates to a hydrogen liquefaction installation, comprising a vehicle, a container or an aircraft, a cryogenic cooling system as described above, arranged in said vehicle, container or aircraft, said installation being arranged so thermally coupling the heat exchanger to a source of hydrogen to be liquefied or a superconducting element.
  • said hydrogen liquefaction installation comprises a tank of cryogenic fluid arranged in said vehicle or container or aircraft, said tank being in fluidic connection with the intermediate heat exchanger to cool said intermediate heat exchanger to a temperature cryogenic thanks to the cryogenic fluid.
  • the hydrogen liquefaction installation comprises a connector adapted to establish a fluidic connection between the intermediate heat exchanger and a cryogenic fluid tank outside of said vehicle, container or aircraft, to cool said intermediate heat exchanger at a cryogenic temperature.
  • the invention also relates to a cryogenic cooling process, comprising the following steps: o one or more steps of compressing a cryogenic gas in a compressor and a step of cooling said compressed gas by a radiator after each compression step, o the passage of said gas through a first exchanger-recovery so as to cool the compressed gas to a first temperature, o the passage of the gas downstream of the first exchanger-recovery into an intermediate heat exchanger, cooled by a cooling device, so in cooling the gas coming from the first exchanger-recovery to an intermediate temperature lower than the first temperature, o passing said gas downstream of the intermediate exchanger into a second exchanger-recovery, so as to cool the gas coming from the exchanger thermal intermediate at a second temperature lower than the intermediate temperature, o the expansion of said gas in an expansion device so as to cool said gas to a cryogenic temperature lower than the second temperature, o the use of said gas for the cooling of a device to be cooled, o the passage of said gas downstream of the device to be cooled in the second
  • Figure 1 is a schematic view of a conventional Turbo-Brayton type cryogenic cooling system.
  • Figure 2 is a schematic view of a cryogenic cooling system according to the invention.
  • Figure 3 illustrates the application of a cryogenic cooling system according to the invention in an aircraft.
  • FIG. 4 shows in detail the cooling system of Figure 3.
  • Figure 5 illustrates the application of a cryogenic cooling system according to the invention in a mobile container.
  • FIG. 2 is a schematic view of a cryogenic cooling system according to the invention.
  • the system is mobile in the sense that it is arranged in a means of transport such as a vehicle, a trailer, or an aircraft, and/or be easily embarked in such a means of transport.
  • the system can be installed in a container configured to be transported by a vehicle.
  • the system comprises one or more radiators 1b, 2b each located at the output of a respective compressor 1a, 2a.
  • the system further comprises two exchanger-recovery 7 and 8.
  • Each exchanger-recovery comprises a cooling conduit 7a, 8a downstream of the radiator(s) 1b, 2b and upstream of one or more expansion valves 4, and a recovery 7b, 8b in heat exchange with the cooling duct 7a, 8a of the heat exchanger-recovery 7, 8 respectively.
  • the regulator is for example an expansion turbine or a Joule-Thompson type regulator. To increase the efficiency of the system, several regulators can be arranged in series or in parallel.
  • An intermediate heat exchanger 10 is arranged between the cooling duct 7a of the first recuperator exchanger 7 and the cooling duct 8a of the second recuperator-exchanger 8.
  • the intermediate heat exchanger provides a cold environment making it possible, by heat exchange, to cool the gas downstream of the cooling pipe 7a of the first recovery exchanger 7 and upstream of the cooling pipe 8a of the second heat exchanger-recovery 8.
  • cold » we mean in the present text that the zone or the element concerned is at a cryogenic temperature, that is to say a temperature typically lower than 150 K.
  • the intermediate heat exchanger 10 can be a cryorefrigerator of the Turbo-Brayton type or a cryorefrigerator based on the Stirling cycle or a pulsed tube, or a combination of several cryorefrigerators of the same type or of types different.
  • the intermediate heat exchanger 10 may be an exchanger in fluidic connection 12 with a cooling fluid in a tank 14, or immersed in a bath of cooling fluid.
  • the cryogenic fluid circulates so as to use the heat capacity of said cryogenic fluid for cooling the gas downstream of the cooling pipe 7a of the first heat exchanger 7 and upstream of the cooling pipe 8a of the second heat exchanger-recovery 8
  • the cryogenic fluid is a cryogenic liquid having a high cryogenic power thanks to its latent heat, such as for example liquid nitrogen or liquid methane.
  • the intermediate heat exchanger is a combination of a cryocooler and a cryogenic fluid cooled device.
  • the application is, by way of illustration and not limitation, a superconducting engine for example in an aircraft, or a system cooling or hydrogen liquefaction.
  • Said heat exchanger 5 is fluidically linked to the recovery conduit 8b of the second exchanger-recovery 8, which is in turn in fluidic connection with the recovery conduit 7b of the first exchanger-recovery 7.
  • a conduit capable of reintroducing the gas into the compressor 1a is arranged downstream of the recovery conduit 7b of the first exchanger-recovery 7.
  • a cryogenic gas included in the system is compressed in the compressors 1a and 2a, such compression producing heating of said gas.
  • said cryogenic gas is helium.
  • the gas may be a mixture of helium and neon, or hydrogen, or even a mixture of hydrogen and neon, or a mixture of the three fluids mentioned.
  • the compressed gas is cooled to a temperature close to the ambient temperature of the system by a radiator 1b or 2b.
  • the ambient temperature is typically around 290K on the ground and can drop to around 220K for an aircraft at altitude.
  • the compressed gas is then cooled to a first low temperature, for example 90 K, passing through the recuperator exchanger 7 in the pipe 7a.
  • the gas is then cooled by the intermediate heat exchanger 10 to an intermediate temperature, for example 80 K.
  • the gas downstream of the intermediate exchanger is cooled to a second low temperature, for example 22 K, passing through the recovery exchanger 8 in the conduit 8a.
  • the intermediate temperature is lower than the first low temperature, and higher than the second low temperature.
  • the gas is expanded in the expander(s) 4.
  • the gas reaches its minimum temperature (less than 20 K) and is led into the exchanger 5 thermally connected to the application. considered 50.
  • the temperature of the gas becomes close to the temperature of the application 50.
  • the gas is returned to the second recovery exchanger 8, in which it is used to cool the compressed gas to the intermediate temperature in the conduit 8a.
  • the gas is returned to the first recuperator exchanger 7, in which it is used to cool the compressed gas to room temperature in conduit 7a.
  • said gas is heated to a temperature close to ambient temperature and can be reintroduced into the process of successive compressions from the compressor 1a.
  • the system can be used for cooling the superconducting components of an engine, for example for the propulsion of an aircraft.
  • Such an engine for an aircraft can comprise components, for example electromagnetic coils, made of superconducting material, allowing an increase in the power of the machine. These components must be maintained at a temperature below the lowest critical temperature of the superconducting components for the duration of engine operation.
  • the system can also be used to cool a superconducting generator or any other superconducting system, for example a cable or a current limiter.
  • a superconducting generator or any other superconducting system for example a cable or a current limiter.
  • the temperature of the cryogenic gas at the inlet of exchanger 5 is typically close to 20 K.
  • the system is therefore capable of cooling the superconducting element to a temperature of between 20 and 50 K.
  • FIG. 3 illustrates an aircraft 90 equipped with a turbo-generator 95 to be cooled, two superconducting motors to be cooled, and a cooling system 91 according to the invention.
  • the aircraft 90 comprises a tank 92 containing a cryogenic liquid, for example liquid methane at 110K, intended to cool the turbo-generator 95 used to generate the electrical energy necessary for the operation of the aircraft.
  • This liquid methane is additionally used to cool the intermediate heat exchanger of the cooling system 91 .
  • the cooling system 91 comprises two radiators 98 at the outlet of the 2 compressors.
  • the radiators 98 are arranged close to the wall 97 allowing thermal contact with the air outside the aircraft, which represents a temperature about 220 K in altitude.
  • a heat exchanger can be used to establish thermal contact between the outside air and the radiators 98.
  • the cryogenic liquid in the tank 92 is used for cooling the intermediate heat exchanger of the cooling system 91, and then used for cooling the turbo-generator 95 for the production of electrical energy.
  • the cooling ducts 99 of the generator 95 and the cooling ducts 96 of the superconducting motors are cooled by the cooling system 91 to a temperature close to 20 K.
  • the system can be used for liquefaction or reliquefaction of hydrogen or cooling of liquid hydrogen during storage.
  • liquefaction is meant a process of changing hydrogen from a gaseous state to a liquid state starting from hydrogen at room temperature, that is to say at a temperature of about 280-300 K, which involves cooling the hydrogen and then liquefying it.
  • reliquefaction or condensation is meant a process of changing hydrogen from a gaseous state to a liquid state from cold vapors which have just been generated by evaporation of part of the liquid hydrogen and which are still cold, that is to say at a temperature close to that of liquid hydrogen. Re-liquefaction or condensation therefore only involves liquefying the hydrogen without going through a cooling phase because the vapors are already cold.
  • subcooling we mean a process of cooling liquid hydrogen to a temperature below the liquefaction temperature.
  • the cryogenic gas temperature at the inlet of exchanger 5 is 17-35K.
  • Said gas is therefore capable of liquefying hydrogen at a temperature between 20 and 35 K, or of subcooling liquid hydrogen at a temperature of between 20 and 30 K.
  • the heat exchanger 5 must be adapted to operate at a temperature between 17 K and 35 K and more advantageously between 17 K and 25 K.
  • cooling can be applied intermittently at regular intervals, allowing the pressure in the tank to build up to a limit pressure and then triggering cooling to lower the pressure.
  • Hydrogen can be used to power a fuel cell or a hydrogen combustion engine, also in aeronautical applications.
  • a cooling system can thus be used in aeronautics for simultaneous cooling of a quantity of hydrogen and superconducting components.
  • the intermediate heat exchanger 10 is used to cool the cryogenic gas during its flow at high pressure to an intermediate temperature, higher than the cold temperature required by the application.
  • the first heat exchanger-recovery 7 is used to lower the temperature upstream of the intermediate heat exchanger. The more the intermediate heat exchanger 10 provides additional cooling, the less the first heat exchanger-recovery requires cooling power, and vice versa. Can we therefore adjust the powers of the first exchanger-recovery? and the intermediate heat exchanger 10 according to the constraints of the environment in which the cooling system is used.
  • the first exchanger-recovery 7 can therefore be considerably less bulky and less heavy than an exchanger-recovery in a known cooling system as described above, providing the same cold temperature.
  • the second heat exchanger-recovery 8 is used downstream of the intermediate heat exchanger 10 closer to that required by the application. Concerning the second exchanger-recoverer 8, a lower cooling power than in a known system is sufficient to obtain the desired cooling.
  • the electrical consumption of each compressor 1a, 2a downstream of the first exchanger-recovery 7 is reduced.
  • the second exchanger-recovery 8 can therefore be considerably less bulky and less heavy than an exchanger-recovery in a known cooling system providing the same cold power at the same cold temperature.
  • the flow rate of the cooling cycle can be reduced by a factor of approximately 2 or 3 compared to a known cooling system, to obtain an identical transmitted power at the level of the exchanger 5 .
  • each exchanger-recovery can be reduced by a factor of between 4 and 5 compared to that of an exchanger-recovery in a cooling system. known and the electrical consumption of each compressor is reduced by a factor of between 3 and 4.
  • a system according to the invention allows a reduction in mass and size and simultaneously a reduction in electrical consumption depending on the components used compared to a system of known cooling.
  • the second exchanger-recovery 8 requires a certain level of efficiency in order to reach the second low temperature which is for example about 20 K.
  • the first exchanger-recovery 7 has a lower efficiency which is generally sufficient for cooling at the first low temperature and makes it possible to dimension the first exchanger-recovery in a lighter and less cumbersome way.
  • the intermediate heat exchanger can be supplied with a limited quantity of cryogenic fluid, cooled before the flight by a ground system. It is thus possible to size the mass and the size of the cooling system according to the duration of cooling required.
  • said vehicle, container or aircraft comprises a cooling system in which at least part of the cooling of the intermediate heat exchanger 10 is carried out by a cryogenic fluid.
  • the vehicle, container or aircraft further comprises a tank suitable for storing a quantity of cryogenic fluid sufficient for the planned journey.
  • the vehicle, container or aircraft further comprises a connector able to fluidically connect the cold source to a source of cryogenic fluid on the ground. It is thus possible to fill the tank before the trip or flight in order to cool the heat exchanger to a cryogenic temperature during the trip or flight.
  • the total mass of the cooling system is minimized depending on the cryogenic temperature used and the duration of the flight.
  • the cryogenic cooler is arranged in a mobile container, which can be arranged on board a vehicle or aircraft.
  • the cooling is carried out when said container is at rest.
  • the cooling of the intermediate heat exchanger can be carried out using a cold source arranged at a fixed location.
  • the intermediate heat exchanger is in fluidic connection with a liquid nitrogen storage tank.
  • FIG. 5 illustrates the cooling system arranged in a mobile container 60 mounted on a truck.
  • the cooling system can be connected to an external source of electricity 63 and to an external tank 62 filled with a cryogenic fluid, for example liquid nitrogen.
  • a cryogenic fluid for example liquid nitrogen.
  • the cooling system can be designed in a less bulky and less heavy manner than a known cooling system, and be powered by sources of electricity and cryogenic liquid available at the place of its use.
  • the system can be used for the liquefaction or re-liquefaction of liquid hydrogen in a tank 61 , or for any other cryogenic application.
  • Table 1 illustrates the consumption, the mass and the need for cryogenic fluid in the case of different cooling systems providing a power of 1 kW at a temperature of 20K. This table considers only the main loop of the cooling system, in which the cryogenic gas circulates, and not the loop secondary which, in the invention, provides the cooling power required for the intermediate heat exchanger.
  • a cooling system of the known turbo-Brayton type (first line of the table) providing such a power of 1 kW at a temperature of 20K has a mass of 1000 kg and an electrical consumption of 200 kW.
  • the same cooling power can be obtained at a temperature of 20K by using a cooling system comprising an intermediate heat exchanger cooled by a turbo-Brayton type machine providing a power of 5 kW at 80K.
  • the power consumption of the main loop of such a system is 135 kW, and its mass is about 580 kg.
  • the assembly consisting of the main loop and the secondary loop has an electrical consumption and a mass lower than those of the known system. It is thus possible to design lighter systems, which makes it possible to embark them in an aircraft and a vehicle and also to save fuel for applications on board an aircraft or vehicle.
  • the same cooling power of 1 kW can be obtained at a temperature of 20K using a cooling system comprising an intermediate heat exchanger cooled by liquid nitrogen providing a power of 5 kW at 80K.
  • the power consumption of the main loop of the cooling system is 60 kW, and the mass of the system is 250 kg.
  • the electricity consumption of the secondary loop amounts to 75 kW.
  • the assembly consisting of the main loop and the secondary loop has an electrical consumption and a mass lower than those of the known system. During operation, the system additionally consumes approximately 82 kg of liquid nitrogen per hour.
  • the radiators 1a and 1b can be arranged in thermal contact with the external environment of the aircraft, for example on an external wall of the aircraft in using fixing elements adapted to hold the radiators 1a and 1b on such a wall during flight.
  • the radiators 1 a and 1 b can be arranged on a heat-conducting wall in thermal contact with the external environment, or in thermal contact by using slots, grilles or other openings allowing an exchange with the air at exterior of the vehicle or aircraft.
  • This embodiment is very advantageous for use in an aircraft moving at altitude. For example, at an altitude of 10km from the ground, the temperature outside the aircraft can drop to around 220K. Going from an ambient temperature around 300K to an environment such as the exterior of an aircraft, the cooling requirements to obtain the intermediate temperature decrease. For applications in aeronautics, the cooling system according to the invention therefore makes it possible to gain more in terms of mass and size.
  • cryogenic cooler is then dimensioned for the maximum engine power.
  • the powers of the engine and of the cryogenic cooling system are lower. It is therefore possible to adapt the cooling provided by the intermediate heat exchanger, and, if necessary, its need for cryogenic fluid.
  • Such an adaptation makes it possible to further reduce the mass and the size of the cooling system by more precisely adapting the quantity of fluid used for intermediate cooling.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement cryogénique mobile comprenant : o au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1b, 2b) pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, o au moins un détendeur (4), o un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir, o deux échangeurs récupérateurs (7, 8), adaptés pour un échange d'énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé et le gaz cryogénique détendu en aval de l'échangeur de chaleur (5), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire (10), refroidi par un dispositif de refroidissement (14), et en ce que l'échangeur thermique intermédiaire (10) est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur (7) avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur (4) étant agencé en aval dudit second échangeur-récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique.

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT CRYOGENIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un système de refroidissement cryogénique mobile.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un système de refroidissement du type Turbo-Brayton utilise des procédés de compression, de refroidissement, et de détente afin d’obtenir un refroidissement par expansion adiabatique d’un gaz initialement à température ambiante.
Un tel système de refroidissement peut avoir plusieurs niveaux de compression par des compresseurs successifs. Chaque compression engendre un réchauffement du gaz comprimé. En général, la compression de gaz est effectuée à température ambiante et un radiateur ou un autre dispositif de refroidissement est utilisé en aval de chaque compresseur de manière à refroidir le gaz comprimé à une température proche de la température ambiante, en dissipant de l’énergie du gaz comprimé. Le gaz comprimé est ensuite fortement refroidi dans un échangeur récupérateur et atteint ensuite sa température minimale par une expansion en aval dudit échangeur récupérateur. Le gaz peut donc être utilisé pour l’application envisagée, par exemple le refroidissement d’un appareil supraconducteur tel qu’un moteur de propulsion, ou la liquéfaction d’un autre gaz tel que l’hydrogène.
Pendant l’utilisation, la température du gaz augmente suite à l’échange thermique avec l’appareil à refroidir. Le gaz est ensuite réutilisé en tant que source froide pour refroidir le gaz comprimé dans l’échangeur récupérateur et sa température augmente à une valeur proche de la température ambiante. En général, le gaz est directement réintroduit dans le système de compressions successives.
Pour le refroidissement des moyens de propulsion électrique utilisant des éléments supraconducteurs, on nécessite des échangeurs récupérateurs efficaces pour un échange de chaleur entre une température basse d’environ 20K et une température haute qui est légèrement au-dessus de la température de l’environnement du système, qui est typiquement autour de 290K au sol et peut baisser jusqu’à environ 220K pour un avion en altitude.
Pour la condensation ou liquéfaction de l’hydrogène à partir de vapeur d’hydrogène froide, la température basse est de 205 K, nécessitant des échangeurs récupérateurs également très performants.
La figure 1 illustre un tel système de refroidissement. Après les étapes de compression dans les compresseurs 1 a et 2a, le gaz comprimé est refroidi à température ambiante par les radiateurs 1 b et 2b. Le gaz est ensuite refroidi à une température d’environ 20-25 K en passant par un échangeur récupérateur 3 (« counterflow heat exchanger » selon la terminologie anglo-saxonne) dans le conduit 3a. Après ce passage, le gaz est détendu dans un organe de détente 4 qui est typiquement une turbine d’expansion. A la sortie de l’organe de détente 4, le gaz atteint une température de 17-18 K et est donc apte à refroidir une application 50 telle qu’un moteur supraconducteur à 20 K.
Après l’échange thermique 55 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient proche de 20K. Par l’intermédiaire du conduit 3b, le gaz est reconduit dans l’échangeur récupérateur 3, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 3a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température ambiante et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1a.
De tels systèmes de refroidissement sont lourds et très encombrants. Même pour des durées de refroidissement relativement courtes, par exemple un vol de courte durée, le système requis présente un encombrement et une masse importants car il nécessite les mêmes composants qu’un système conçu pour un refroidissement de longue durée. Par ailleurs, la consommation électrique de tels systèmes est élevée.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de concevoir un système de refroidissement cryogénique mobile plus léger et moins encombrant, ayant une consommation électrique réduite, comprenant : o au moins un compresseur pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, o au moins un détendeur pour détendre le gaz cryogénique comprimé, o un échangeur de chaleur adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu, o deux échangeurs récupérateurs, adaptés pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement, et en ce que l’échangeur thermique intermédiaire est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur étant agencé en aval dudit second échangeur- récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique.
Un tel système est versatile dans le sens qu’il permet d’adapter sa masse et son volume à la durée d’utilisation. On peut ainsi concevoir un système présentant une masse et un volume minimal pour une température cible et une durée d’utilisation connue. Le système permet également de s’adapter localement aux contraintes, car l’échangeur intermédiaire peut être refroidi par différentes sources froides.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de refroidissement comprend un fluide cryogénique assurant un échange thermique avec l’échangeur thermique intermédiaire. Ainsi, on peut adapter le poids et l’encombrement en fonction de la durée d’utilisation, tel que la durée d’un vol pour une application dans un avion, en limitant le volume de fluide cryogénique au volume requis pour la durée de l’utilisation du système. De manière avantageuse, le fluide cryogénique est de l’azote ou du méthane.
Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de refroidissement comprend au moins un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton, un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé.
De manière avantageuse, l’efficacité du premier échangeur récupérateur est inférieure à l’efficacité du deuxième échangeur récupérateur.
De préférence, l’échangeur de chaleur est adapté pour refroidir un appareil à une température comprise entre 17 K et 50 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K.
Avantageusement, les radiateurs comportent des éléments de fixation adaptés pour maintenir ledit échangeur de chaleur sur une paroi extérieure d’un aéronef ou sont thermiquement connectés à une structure refroidie par l’environnement externe dudit aéronef.
L’invention se rapporte aussi à un véhicule ou aéronef à propulsion électrique utilisant au moins un élément supraconducteur comprenant un système de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus, ledit système de refroidissement étant agencé de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à l’au moins un élément supraconducteur à refroidir. De préférence, les radiateurs sont agencés sur une paroi extérieure dudit véhicule ou aéronef ou en échange thermique avec l’environnement externe dudit véhicule ou aéronef.
De manière avantageuse, ledit véhicule ou aéronef à propulsion électrique comprend un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique. Avantageusement, ledit véhicule ou aéronef à propulsion électrique comprend en outre un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou aéronef, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire pour refroidir ledit échangeur thermique à une température cryogénique.
L’invention concerne également une installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule, un conteneur ou un aéronef, un système de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus, agencé dans ledit véhicule, conteneur ou aéronef, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier ou en élément supraconducteur. Dans certains modes de réalisation, ladite installation de liquéfaction d’hydrogène, comprend un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur ou aéronef, ledit réservoir étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire à une température cryogénique grâce au fluide cryogénique. Dans d’autres modes de réalisation, l’installation de liquéfaction d’hydrogène comprend un connecteur adapté pour établir une liaison fluidique entre l’échangeur thermique intermédiaire et un réservoir de fluide cryogénique à l’extérieur dudit véhicule, conteneur ou aéronef, pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire à une température cryogénique.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes : o une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur après chaque étape de compression, o le passage dudit gaz dans un premier échangeur-récupérateur de sorte à refroidir le gaz comprimé à une première température, o le passage du gaz en aval du premier échangeur-récupérateur dans un échangeur thermique intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement, de sorte à refroidir le gaz provenant du premier échangeur-récupérateur à une température intermédiaire inférieure à la première température, o le passage dudit gaz en aval de l’échangeur intermédiaire dans un second échangeur-récupérateur, de sorte à refroidir le gaz provenant de l’échangeur thermique intermédiaire à une seconde température inférieure à la température intermédiaire, o l’expansion dudit gaz dans un organe de détente de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique inférieure à la seconde température, o l’utilisation dudit gaz pour le refroidissement d’un appareil à refroidir, o le passage dudit gaz en aval de l’appareil à refroidir dans le second échangeur- récupérateur et le premier échangeur-récupérateur en récupérant l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique du type Turbo-Brayton conventionnel. La figure 2 est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention.
La figure 3 illustre l’application d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention dans un aéronef.
La figure 4 montre en détail le système de refroidissement de la figure 3.
La figure 5 illustre l’application d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention dans un conteneur mobile.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
Structure du système de refroidissement
La figure 2 est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention. Le système est mobile dans le sens qu’il est agencé dans un moyen de transport tel qu’un véhicule, une remorque, ou un aéronef, et/ou être facilement embarqué dans un tel moyen de transport. Par exemple, le système peut être installé dans un conteneur configuré pour être transporté par un véhicule. Le système comprend un ou plusieurs radiateurs 1 b, 2b situés chacun en sortie d’un compresseur 1a, 2a respectif. Le système comprend en outre deux échangeurs-récupérateurs 7 et 8. Chaque échangeur- récupérateur comprend un conduit de refroidissement 7a, 8a en aval du ou des radiateurs 1 b, 2b et en amont d’un ou plusieurs détendeurs 4, et un conduit de récupération 7b, 8b en échange thermique avec le conduit de refroidissement 7a, 8a de l’échangeur-récupérateur 7, 8 respectif. Le détendeur est par exemple une turbine d’expansion ou un détendeur du type Joule-Thompson. Pour augmenter l’efficacité du système, plusieurs détendeurs peuvent être agencés en série ou en parallèle.
Un échangeur thermique intermédiaire 10 est agencé entre le conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et le conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8.
L'échangeur thermique intermédiaire procure un environnement froid permettant, par échange de chaleur, de refroidir le gaz en aval du conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et en amont du conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8. Par « froid », on entend dans le présent texte que la zone ou l’élément concerné est à une température cryogénique, c’est-à-dire une température typiquement inférieure à 150 K.
A titre d’exemple illustratif et non limitatif, l’échangeur thermique intermédiaire 10 peut être un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton ou un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé, ou une combination de plusieurs cryoréfrigérateurs du même type ou de types différents. De manière alternative, l’échangeur thermique intermédiaire 10 peut être un échangeur en liaison fluidique 12 avec un fluide de refroidissement dans un réservoir 14, ou immergé dans un bain de fluide de refroidissement. Dans ce cas, le fluide cryogénique circule de manière à utiliser la capacité calorifique dudit fluide cryogénique pour le refroidissement du gaz en en aval du conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et en amont du conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8. De manière avantageuse, le fluide cryogénique est un liquide cryogénique ayant une forte puissance cryogénique grâce à sa chaleur latente, comme par exemple l’azote liquide ou le méthane liquide. Dans certains modes de réalisation, l’échangeur thermique intermédiaire est une combinaison d’un cryoréfrigérateur et d’un dispositif refroidi à l’aide d’un fluide cryogénique.
Un échangeur thermique 5, agencé en aval du ou des détendeurs 4, permet l’échange thermique 55 avec l’application 50. L’application est, à titre illustratif et non limitatif, un moteur supraconducteur par exemple dans un aéronef, ou un système de refroidissement ou de liquéfaction d’hydrogène.
Ledit échangeur thermique 5 est lié fluidiquement au conduit de récupération 8b du second échangeur-récupérateur 8, qui est à son tour en liaison fluidique avec le conduit de récupération 7b du premier échangeur-récupérateur 7.
Un conduit apte à réintroduire le gaz dans le compresseur 1 a est agencé en aval du conduit de récupération 7b du premier échangeur-récupérateur 7.
Fonctionnement du système de refroidissement
Afin de refroidir une application 50, on comprime un gaz cryogénique compris dans le système dans les compresseurs 1a et 2a, une telle compression produisant un échauffement dudit gaz. De préférence, ledit gaz cryogénique est de l’hélium. De manière alternative, le gaz peut être un mélange d’hélium et de néon, ou de l’hydrogène, ou encore un mélange d’hydrogène et de néon, ou un mélange des trois fluides cités. Après chaque étape de compression, le gaz comprimé est refroidi à une température proche de la température ambiante du système par un radiateur 1 b ou 2b. La température ambiante est typiquement autour de 290K au sol et peut baisser jusqu’à environ 220K pour un avion en altitude.
Le gaz comprimé est ensuite refroidi à une première température basse, par exemple de 90 K en passant par l’échangeur récupérateur 7 dans le conduit 7a. Le gaz est ensuite refroidi par l’échangeur thermique intermédiaire 10 à une température intermédiaire, par exemple de 80 K.
Le gaz en aval de l’échangeur intermédiaire est refroidi à une seconde température basse, par exemple de 22 K en passant par l’échangeur récupérateur 8 dans le conduit 8a. La température intermédiaire est inférieure à la première température basse, et supérieure à la seconde température basse. Après ce passage, le gaz est détendu dans le ou les détendeurs 4. A la sortie du ou des détendeurs 4, le gaz atteint sa température minimale (inférieure à 20 K) et est conduit dans l’échangeur 5 connecté thermiquement à l’application envisagée 50.
Après l’échange thermique 55 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient proche de la température de l’application 50. Par l’intermédiaire du conduit 8b, le gaz est reconduit dans le second échangeur récupérateur 8, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à la température intermédiaire dans le conduit 8a. Ensuite, par l’intermédiaire du conduit 7b, le gaz est reconduit dans le premier échangeur récupérateur 7, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 7a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température ambiante et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1 a.
Applications
A titre d'exemple illustratif et non limitatif, le système peut être utilisé pour le refroidissement des composants supraconducteurs d’un moteur, par exemple pour la propulsion d’un aéronef.
Un tel moteur pour aéronef peut comprendre des composants, par exemple des bobines électromagnétiques, réalisés en matériau supraconducteur, permettant une augmentation de la puissance de la machine. Ces composants doivent être maintenus à une température inférieure à la température critique la plus basse des composants supraconducteurs pendant la durée du fonctionnement du moteur.
Le système peut également être utilisé pour refroidir un générateur supraconducteur ou tout autre système supraconducteur, par exemple un câble ou un limiteur de courant. Dans ce cas, la température du gaz cryogénique à l’entrée de l’échangeur 5 est typiquement proche de 20 K. Le système est donc apte à refroidir l’élément supraconducteur à une température comprise entre 20 et 50 K.
La figure 3 illustre un aéronef 90 équipé d’un turbo-générateur 95 à refroidir, de deux moteurs supraconducteurs à refroidir, et d’un système de refroidissement 91 selon l’invention. L’aéronef 90 comprend un réservoir 92 contenant un liquide cryogénique, par exemple du méthane liquide à 110K, destiné à refroidir le turbo-générateur 95 utilisé pour générer l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement de l’aéronef. Ce méthane liquide est en outre utilisé pour refroidir l’échangeur thermique intermédiaire du système de refroidissement 91 .
Le système de refroidissement 91 comprend deux radiateurs 98 en sortie des 2 compresseurs. Les radiateurs 98 sont agencés à proximité de la paroi 97 permettant un contact thermique avec l’air à l’extérieur de l’aéronef, qui représente une température d’environ 220 K en altitude. De manière alternative, un échangeur thermique peut être utilisé pour établir un contact thermique entre l’air extérieur et les radiateurs 98.
En référence à la figure 4, le liquide cryogénique dans le réservoir 92 est utilisé pour le refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire du système de refroidissement 91 , et ensuite utilisé pour le refroidissement du turbo-générateur 95 pour la production d’énergie électrique. Les conduits de refroidissement 99 du générateur 95 et les conduits de refroidissement 96 des moteurs supraconducteurs sont refroidis par le système de refroidissement 91 à une température proche de 20 K.
De manière alternative, le système peut être utilisé pour une liquéfaction ou reliquéfaction d’hydrogène ou un refroidissement d’hydrogène liquide pendant son stockage. Par liquéfaction, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir d’hydrogène à température ambiante, c’est-à-dire à une température d’environ 280-300 K, qui implique de refroidir l’hydrogène puis de le liquéfier. Par reliquéfaction ou condensation, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir de vapeurs froides qui viennent d’être générées par évaporation d’une partie de l’hydrogène liquide et qui sont encore froides, c’est-à-dire à une température proche de celle de l’hydrogène liquide. La re-liquéfaction ou condensation implique donc uniquement de liquéfier l’hydrogène sans passer par une phase de refroidissement car les vapeurs sont déjà froides. Par sous-refroidissement, on entend un procédé de refroidissement de l’hydrogène liquide à une température inférieure à la température de liquéfaction.
Pour la liquéfaction, la re-liquéfaction ou le sous-refroidissement d’hydrogène, la température du gaz cryogénique à l’entrée de l’échangeur 5 est de 17-35K. Ledit gaz est donc apte à liquéfier de l’hydrogène à une température entre 20 et 35 K, ou à sous-refroidir de l’hydrogène liquide à une température comprise entre 20 et 30K. L’échangeur de chaleur 5 doit être adapté pour fonctionner à une température comprise entre 17 K et 35 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 25 K.
Pendant le stockage d’hydrogène à une température cryogénique, on maintient un refroidissement continu, afin de limiter une montée en pression dans le réservoir de stockage et d’éviter des pertes d’hydrogène par évaporation. De manière alternative, le refroidissement peut être appliqué par intermittence à intervalles réguliers, en laissant monter la pression dans le réservoir jusqu’à une pression limite puis en déclenchant le refroidissement pour faire diminuer la pression.
L’hydrogène peut être utilisé pour alimenter une pile à combustible ou un moteur à combustion à hydrogène, également dans les applications en aéronautique. Un système de refroidissement peut ainsi être utilisé en aéronautique pour un refroidissement simultané d’une quantité d’hydrogène et des composants supraconducteurs. Utilisation et avantages
L’échangeur thermique intermédiaire 10 est utilisé pour refroidir le gaz cryogénique pendant son écoulement à haute pression à une température intermédiaire, plus haute que la température froide requise par l’application. Le premier échangeur-récupérateur 7 est utilisé pour baisser la température en amont de l’échangeur thermique intermédiaire. Plus l’échangeur thermique intermédiaire 10 apporte du refroidissement supplémentaire, moins le premier échangeur-récupérateur nécessite de puissance de refroidissement, et inversement. On peut donc ajuster les puissances du premier échangeur-récupérateur ? et de l’échangeur thermique intermédiaire 10 selon les contraintes de l’environnement dans lequel le système de refroidissement est utilisé.
Le premier échangeur-récupérateur 7 peut donc être considérablement moins encombrant et moins lourd qu’un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu tel que décrit ci-dessus, fournissant la même température froide. Le second échangeur-récupérateur 8 est utilisé en aval de l’échangeur thermique intermédiaire 10 à plus proche de celle requise par l’application. Concernant le second échangeur- récupérateur 8, une puissance de refroidissement plus faible que dans un système connu est suffisante pour obtenir le refroidissement souhaité. La consommation électrique de chaque compresseur 1 a, 2a en aval du premier échangeur-récupérateur 7 est réduite.
Le second échangeur-récupérateur 8 peut donc être considérablement moins encombrant et moins lourd qu’un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu fournissant la même puissance froide à la même température froide.
Grace à l’échangeur thermique intermédiaire 10, le débit du cycle de refroidissement peut être réduit d’un facteur d’environ 2 ou 3 par rapport à un système de refroidissement connu, pour obtenir une puissance transmise identique au niveau de l’échangeur 5.
Par exemple, pour une température froide de 20 K à une puissance donnée, le volume et la masse de chaque échangeur-récupérateur peut être réduite d’un facteur compris entre 4 et 5 par rapport à celle un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu et la consommation électrique de chaque compresseur est réduite d’un facteur compris entre 3 et 4.
Même en considérant le besoin de deux échangeurs-récupérateurs et d’un échangeur thermique intermédiaire, un système selon l’invention permet une réduction en masse et encombrement et simultanément une réduction de la consommation électrique en fonction des composants utilisés par rapport à un système de refroidissement connu.
Le second échangeur-récupérateur 8 nécessite un certain niveau d’efficacité afin d’atteindre la seconde température basse qui est par exemple d’environ 20 K. Avantageusement, le premier échangeur-récupérateur 7 présente une efficacité inférieure qui est généralement suffisante pour le refroidissement à la première température basse et permet de dimensionner le premier échangeur-récupérateur de manière plus légère et moins encombrante.
En particulier, quand le refroidissement est à effectuer pendant une période limitée, par exemple un vol de courte durée, l’échangeur thermique intermédiaire peut être alimenté par une quantité de fluide cryogénique limitée, refroidie avant le vol par un système au sol. On peut ainsi dimensionner la masse et l’encombrement du système de refroidissement selon la durée du refroidissement requise.
On peut ainsi effectuer un refroidissement de durée limitée pendant un trajet en véhicule, un transport d’un conteneur par exemple par un bateau ou un véhicule, ou un vol en aéronef. Dans ce cas, ledit véhicule, conteneur ou aéronef comprend un système de refroidissement dans lequel au moins une partie du refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire 10 est effectué par un fluide cryogénique. Le véhicule, conteneur ou aéronef comprend en outre un réservoir adapté pour stocker une quantité de fluide cryogénique suffisante pour le trajet prévu. Avantageusement, le véhicule, conteneur ou aéronef comprend en outre un connecteur apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique au sol. On peut ainsi remplir le réservoir avant le trajet ou vol afin de refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique pendant le trajet ou vol. Ainsi, la masse totale du système de refroidissement est minimisée en fonction de la température cryogénique utilisée et la durée du vol.
Dans d’autres cas, le refroidisseur cryogénique est agencé dans un conteneur mobile, qui peut être agencé à bord d’un véhicule ou aéronef. Le refroidissement est effectué quand ledit conteneur est au repos. Le refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire peut être effectué en utilisant une source froide agencée à un endroit fixe. Par exemple, l’échangeur thermique intermédiaire est en liaison fluidique avec un réservoir de stockage d’azote liquide. Cette solution permet également de minimiser la masse totale du système destiné à être transporté.
La figure 5 illustre le système de refroidissement agencé dans un conteneur mobile 60 monté sur un camion. Le système de refroidissement peut être connecté à une source d’électricité 63 externe et à un réservoir extérieur 62 rempli d’un fluide cryogénique, par exemple de l’azote liquide. Ainsi, le système de refroidissement peut être conçu de manière moins encombrante et moins lourde qu’un système de refroidissement connu, et être alimenté par des sources d’électricité et de liquide cryogénique disponibles à l’endroit de son utilisation. Le système peut être utilisé pour la liquéfaction ou ré-liquéfaction d’hydrogène liquide dans un réservoir 61 , ou pour toute autre application cryogénique.
Le tableau 1 illustre la consommation, la masse et le besoin en fluide cryogénique dans le cas de différents systèmes de refroidissement fournissant une puissance de 1 kW à une température de 20K. On considère dans ce tableau uniquement la boucle principale du système de refroidissement, dans laquelle circule le gaz cryogénique, et non la boucle secondaire qui, dans l’invention, apporte la puissance de refroidissement requise pour l’échangeur thermique intermédiaire.
Table 1]
Figure imgf000013_0001
Un système de refroidissement du type turbo-Brayton connu (première ligne du tableau) fournissant une telle puissance de 1 kW à une température de 20K présente une masse de 1000 kg et une consommation électrique de 200 kW.
Selon une première alternative procurée par l’invention (deuxième ligne du tableau), on peut obtenir la même puissance de refroidissement à une température de 20K en utilisant un système de refroidissement comprenant un échangeur thermique intermédiaire refroidi par une machine de type turbo-Brayton apportant une puissance de 5 kW à 80K. La consommation électrique de la boucle principale d’un tel système est de 135 kW et sa masse est d’environ 580 kg. L’ensemble constitué de la boucle principale et de la boucle secondaire présente une consommation électrique et une masse inférieures à celles du système connu. Il est ainsi possible de concevoir des systèmes plus légers, ce qui permet de les embarquer dans un aéronef et d’un véhicule et également d’économiser du carburant pour les applications à bord d’un aéronef ou véhicule.
Selon une deuxième alternative procurée par l’invention (troisième ligne du tableau), on peut obtenir la même puissance de refroidissement de 1 kW à une température de 20K en utilisant un système de refroidissement comprenant un échangeur thermique intermédiaire refroidi par de l’azote liquide apportant une puissance de 5 kW à 80K. La consommation électrique de la boucle principale du système de refroidissement s’élève à 60 kW et la masse du système est de 250 kg. La consommation électrique de la boucle secondaire s’élève à 75 kW. L’ensemble constitué de la boucle principale et de la boucle secondaire présente une consommation électrique et une masse inférieures à celles du système connu. Pendant son fonctionnement, le système consomme en outre environ 82 kg d’azote liquide par heure. Par exemple, pour un vol d’une durée de 3 heures, cela correspond à une masse d’azote liquide de 246 kg, et une masse du système de refroidissement comprenant cette quantité d’azote liquide de 446 kg. Pour des durées de vol plus courtes, le système nécessite une plus petite quantité de fluide de refroidissement tel que l’azote liquide et présente donc une masse et encombrement encore moins important. On peut ainsi concevoir des systèmes de refroidissement modulables, plus légers et plus compacts pour des durées de vol plus courtes.
D’ailleurs, dans le cas d’une utilisation dans un véhicule ou aéronef, on peut agencer les radiateurs 1a et 1 b en contact thermique avec l’environnement extérieur de l’aéronef, par exemple sur une paroi externe de l’aéronef en utilisant des éléments de fixation adaptés pour maintenir les radiateurs 1a et 1 b sur une telle paroi pendant le vol. De manière alternative, les radiateurs 1 a et 1 b peuvent être agencés sur une paroi conductrice de chaleur en contact thermique avec l’environnement extérieur, ou en contact thermique en utilisant des fentes, grilles ou autres ouvertures permettant un échange avec l’air à l’extérieur du véhicule ou de l’aéronef.
Ce mode de réalisation est très avantageux pour l’utilisation dans un aéronef se déplaçant en altitude. Par exemple, à une altitude de 10km du sol, la température à l’extérieur de l’aéronef peut baisser jusqu’à environ 220K. Passant d’une température ambiante autour de 300K à un environnement tel que l’extérieur d’un aéronef, les besoins en refroidissement pour obtenir la température intermédiaire diminuent. Pour les applications en aéronautique, le système de refroidissement selon l’invention permet donc d’avantage de gagner en masse et encombrement.
Pour l’exemple d’un système de refroidissement fournissant une puissance de 1 kW à une température froide de 20K utilisant un échangeur thermique intermédiaire d’une puissance de 5kW à une température intermédiaire de 80K, une baisse de la température ambiante de 300 K au sol à 220 K à 10 km d’altitude engendre une baisse du besoin de refroidissement par l’échangeur thermique intermédiaire à 2,5 kW pour une température intermédiaire de 80K. Dans le cas où l’azote liquide est utilisé pour refroidir l’échangeur thermique intermédiaire, la consommation en azote liquide est réduite d’un facteur 2.
D’ailleurs, les moteurs supraconducteurs pour aéronef sont généralement dimensionnés pour les phases de vol nécessitant une puissance maximale du moteur, en particulier la phase de décollage. Le refroidisseur cryogénique est alors dimensionné pour la puissance maximale du moteur. Lorsque l’aéronef est en phase de croisière ou en phase d’atterrissage, les puissances du moteur et du système de refroidissement cryogénique sont inférieures. On peut donc adapter le refroidissement fourni par l’échangeur thermique intermédiaire, et, le cas échéant, son besoin en fluide cryogénique. Une telle adaptation permet davantage de réduire la masse et l’encombrement du système de refroidissement en adaptant plus précisément la quantité de fluide servant au refroidissement intermédiaire

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de refroidissement cryogénique mobile comprenant : au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1 b, 2b) agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, au moins un détendeur (4) pour détendre le gaz cryogénique comprimé, un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu, deux échangeurs récupérateurs (7, 8), adaptés pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur (4) et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur (5), caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire (10), refroidi par un dispositif de refroidissement (14), et en ce que l’échangeur thermique intermédiaire (10) est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur (7) avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur (4) étant agencé en aval dudit second échangeur-récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif de refroidissement comprend un fluide cryogénique assurant un échange thermique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10).
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le fluide cryogénique est de l’azote ou du méthane.
4. Système selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif de refroidissement comprend au moins un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton, un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé.
5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’efficacité du premier échangeur récupérateur (7) est inférieure à l’efficacité du deuxième échangeur récupérateur (8).
6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur de chaleur (5) est adapté pour refroidir un appareil à une température comprise entre 17 K et 50 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K.
7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les radiateurs (1 b, 2b) comportent des éléments de fixation adaptés pour maintenir ledit échangeur de chaleur (5) sur une paroi extérieure d’un aéronef ou sont thermiquement connectés à une structure refroidie par l’environnement externe dudit aéronef.
8. Véhicule ou aéronef à propulsion électrique utilisant au moins un élément supraconducteur comprenant un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications précédentes, ledit système de refroidissement étant agencé de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur (5) à l’au moins un élément supraconducteur à refroidir.
9. Véhicule ou aéronef selon la revendication 8, dans lequel les radiateurs (1 b, 2b) sont agencés sur une paroi extérieure dudit véhicule ou aéronef ou en échange thermique avec l’environnement externe dudit véhicule ou aéronef.
10. Véhicule ou aéronef selon l’une des revendications 8-9, comprenant un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique.
11. Véhicule ou aéronef selon l’une des revendications 8-10, comprenant un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou aéronef, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10) pour refroidir ledit échangeur thermique à une température cryogénique.
12. Installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule, un conteneur ou un aéronef, un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications 1-7 agencé dans ledit véhicule, conteneur ou aéronef, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier ou en élément supraconducteur.
13. Installation de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 12, comprenant un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur ou aéronef, ledit réservoir étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10) pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire (10) à une température cryogénique grâce au fluide cryogénique.
14. Installation de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 12, comprenant un connecteur adapté pour établir une liaison fluidique entre l’échangeur thermique intermédiaire (10) et un réservoir de fluide cryogénique à l’extérieur dudit véhicule, conteneur ou aéronef, pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire (10) à une température cryogénique.
15. Procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes : une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur (1 a, 2a) et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur (1 b, 2b) après chaque étape de compression, le passage dudit gaz dans un premier échangeur-récupérateur (7) de sorte à refroidir le gaz comprimé à une première température (Ti), le passage du gaz en aval du premier échangeur-récupérateur (7) dans un échangeur thermique (10) intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement (14), de sorte à refroidir le gaz provenant du premier échangeur-récupérateur à une température intermédiaire (Tj) inférieure à la première température (Ti), le passage dudit gaz en aval de l’échangeur intermédiaire (10) dans un second échangeur-récupérateur (8), de sorte à refroidir le gaz provenant de l’échangeur thermique (10) intermédiaire à une seconde température (T2) inférieure à la température intermédiaire (Ti), l’expansion dudit gaz dans un organe de détente (4) de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique (Tc) inférieure à la seconde température (T2), l’utilisation dudit gaz pour le refroidissement d’un appareil (50) à refroidir, le passage dudit gaz en aval de l’appareil à refroidir (50) dans le second échangeur-récupérateur (8) et le premier échangeur-récupérateur (7) en récupérant l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit.
PCT/FR2023/050267 2022-02-25 2023-02-24 Systeme de refroidissement cryogenique WO2023161594A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2201706 2022-02-25
FR2201706A FR3133075B1 (fr) 2022-02-25 2022-02-25 Système de refroidissement cryogénique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023161594A1 true WO2023161594A1 (fr) 2023-08-31

Family

ID=82196565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2023/050267 WO2023161594A1 (fr) 2022-02-25 2023-02-24 Systeme de refroidissement cryogenique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3133075B1 (fr)
WO (1) WO2023161594A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463744B1 (en) * 1998-05-12 2002-10-15 Messer Griesheim Gmbh Method and device for producing cold
US20050016187A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc Pre-cooler for reducing cryogen consumption
US9261295B1 (en) * 2012-03-26 2016-02-16 Ball Aerospace & Technologies Corp. Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463744B1 (en) * 1998-05-12 2002-10-15 Messer Griesheim Gmbh Method and device for producing cold
US20050016187A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc Pre-cooler for reducing cryogen consumption
US9261295B1 (en) * 2012-03-26 2016-02-16 Ball Aerospace & Technologies Corp. Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods

Also Published As

Publication number Publication date
FR3133075A1 (fr) 2023-09-01
FR3133075B1 (fr) 2024-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2700786C (fr) Dispositif et procede de motorisation de pompe pour moteur fusee par moteur a combustion interne
EP3414498B1 (fr) Dispositif de réfrigération cryogénique
US9261295B1 (en) Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods
WO2008132400A2 (fr) Systeme de refroidissement et de regulation en temperature d'equipements d'un ensemble propulsif d'aeronef
US20180363852A1 (en) Thermoelectric power generating module, and thermoelectric power generating device, anti-freezing vaporizer, and vaporized fuel gas liquefaction process device including same
JP2016509549A (ja) 航空機発電システム及び方法
FR2556452A1 (fr) Systeme de conditionnement d'air par recyclage de l'air a grand rendement
EP3465050B1 (fr) Procédé et dispositif de refroidissement d'au moins une charge chaude à bord d'un véhicule tel qu'un aéronef à boucle fluide partiellement réversible
EP3714201A1 (fr) Dispositif et procédé de fourniture de gaz naturel liquéfié
EP2837873A2 (fr) Procédé et installation de production de gaz sous pression
FR3098274A1 (fr) Dispositif et procédé de remplissage de réservoirs.
CA3122306A1 (fr) Poste de detente d'un gaz et de compression d'un fluide
EP2936006B1 (fr) Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant
WO2023161594A1 (fr) Systeme de refroidissement cryogenique
US20070227160A1 (en) Hydrogen heat exchanger
EP3521590B1 (fr) Système de refroidissement d air moteur à deux étages de refroidissement et comprenant au moins un échangeur cylindrique
YOSHIDA et al. Thermodynamic analysis of high pressure hydrogen gas refueling system with turbo-expanders
WO2023280549A1 (fr) Installation et procédé de liquéfaction d'hydrogène.
EP4038326B1 (fr) Dispositif de motorisation, véhicule volant et procédé de refroidissement d'un moteur
FR3077603A1 (fr) Systeme de refroidissement d'air moteur a deux etages de refroidissement et procede correspondant
FR2640322A1 (fr) Moteur-fusee ou moteur combine pour vehicule spatial a circuit hydraulique auxiliaire essentiellement ferme
EP4158171A1 (fr) Installation d'alimentation en carburant cryogénique de la chambre de combustion d'une turbomachine
WO2021209231A1 (fr) Installation de stockage de gaz liquéfié
FR3123715A1 (fr) Système de refroidissement cryogénique
WO2023072614A1 (fr) Système de conditionnement de carburant pour alimenter une turbomachine d'aéronef, aéronef et procédé d'utilisation

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23711519

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1