CA3168530A1 - Dispositif et procede de refrigeration a dilution - Google Patents

Abstract

Dispositif et procédé de réfrigération à dilution comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d'une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite (7) reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première portion (9) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7), la première portion (9) d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe (22, 12) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (20) de travail, le dispositif comprenant au moins un organe (8) de pompage cryogénique situé dans le circuit (20) de travail entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert.

Description

2 Dispositif et procédé de réfrigération à dilution L'invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération à dilution.
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 et d'hélium d'isotope 4, le circuit de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites, une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert, le premier ensemble de conduites étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'unc sortie dc la chambrc dc mélangc à une cntréc du bouillcur et d'une sortie du bouilleur à une entrée de l'organe de transfert, le circuit de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite reliant une sortie de l'organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange, le circuit de travail comprenant au moins une première portion d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduite, la première portion d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur et la chambre de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe de refroidissement en échange thermique avec le circuit de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle.
L'invention concerne en particulier un dispositif et procédé de réfrigération cryogénique de forte puissance à basse ou très basse température (c'est-à-dire potentiellement jusque dans la gamme de température du milliKelvin à la centaine de milliKelvin).
L'utilisation de la réfrigération à des températures inférieures à la centaine de milliKelvin concerne essentiellement les applications pour l'étude de la matière et des phénomènes quantiques, pour la réalisation de détecteurs de rayonnement électromagnétique.
Les phénomènes quantiques donnent lieu à des développements théoriques et technologiques susceptibles de les mettre en uvre pour effectuer des opérations ( quantum computing ) pour le développement de supercalculateurs (effectuant par exemple un milliard de milliards de calculs chaque seconde) en manipulant des qubits supraconducteurs à des températures proches du milliKelvin ou à base de silicium à quelques centaines de milliKelvin.
Généralement, ces applications utilisent des réfrigérateurs à
dilution pour les besoins de refroidissement qui leur permettent de manipuler une centaine de qubits et intégrer les centaines de liaisons filaires ou coaxiales (environ 4 par qubit) nécessaires pour les contrôler et lire leur état.
Ainsi, le moyen traditionnel d'obtenir de la puissance de réfrigération à des températures de l'ordre du milliKelvin à la centaine de milliKelvin est le réfrigérateur à dilution d'hé1ium3 dans l'hé1ium4.
D'autres technologies offrent des puissances froides de 8 à 30 microWatt à 20mK ou 250 à 1000 microWatt à 100mK.
Pour manipuler à terme dizaines de milliers jusqu'à des millions de qubits dans un ordinateur quantique exascale , les solutions de réfrigération existantes ne sont plus adaptées.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe de pompage cryogénique situé dans le circuit de travail entre le bouilleur et l'organe de transfert.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

3 - l'organe transfert comprend un compresseur du fluide de cycle, - l'organe transfert comprend un échangeur de chaleur, - le au moins un organe de pompage cryogénique est situé dans le premier ensemble de conduites du circuit de travail, en configuration de fonctionnement du dispositif de réfrigération, le fluide de cycle y étant admis à une température cryogénique, notamment comprise entre 0,5K et 80K, - le au moins un organe de pompage cryogénique est configure pour pomper le fluide du cycle ayant une pression d'admission comprise entre 0,01mbar et 100mbar, - le dispositif comporte une seconde portion d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduite et située entre le bouilleur et l'organe de transfert, le au moins un organe de pompage cryogénique étant situé entre la seconde portion d'échange de chaleur et le bouilleur et/nu entre la seconde portion d'échange de chaleur et l'organe de transfert, - le au moins un organe de refroidissement comporte un appareil de refroidissement en échange de chaleur avec le deuxième ensemble de conduite entre l'organe de transfert et l'organe de mélange, l'organe de refroidissement étant configure pour refroidir le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, - le dispositif comporte une portion d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite et le bouilleur, -le au moins un organe de refroidissement comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail comprenant de l'hélium, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une

4 portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, - le réfrigérateur cryogénique comprend au moins une cuve de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré
pour liquéfier du fluide de travail dans ladite cuve, la au moins une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution comprend un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé dans la au moins une cuve et le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, - le réfrigérateur cryogénique comprend au moins deux cuves de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves à des températures respectives distinctes, les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves étant mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements distincts respectifs du circuit de travail du dispositif de réfrigération à dilution, - le circuit de travail comprend plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre de mélange et un bouilleur respectifs, c'est-à-dire que le circuit de travail du fluide de cycle comprend plusieurs premiers ensembles de conduites distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite distincts, - au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe de transfert commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe de transfert mutualisé, les premiers ensembles de conduites et deuxièmes ensembles de conduite correspondantes étant raccordées en parallèle à l'organe de transfert commun, - au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe de pompage mutualisé, les premiers

5 ensembles de conduites et/ou les deuxièmes ensembles de conduite correspondantes étant raccordées en parallèle audit organe de pompage commun, - au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent chacune un organe de pompage distinct respectif, - le au moins un organe de refroidissement comporte un appareil de refroidissement commun pour refroidir au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes, - l'appareil de refroidissement commun comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant de l'hélium, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution, - le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil de refroidissement commun comprend au moins une cuve de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite au moins une cuve, le dispositif de réfrigération comprenant une conduite de transfert reliant ladite au moins une cuve de stockage à au moins une portion d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans

6 chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution, le réfrigérateur cryogénique formant le au moins un organe de refroidissement commun comprend au moins deux cuves de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves à des températures respectives distinctes, et en ce que le dispositif de réfrigération comporte un ensemble de conduites de transfert reliant les cuves de stockage à respectivement des portions distinctes d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution, pour assurer des échanges thermiques entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans lesdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé
alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
[Fig. 1] représente une vue schématique et partielle illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 2] représente une vue schématique et partielle illustrant un second exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant un troisième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 4] représente une vue schématique et partielle illustrant un quatrième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,

7 [Fig. 5] représente une vue schématique et partielle illustrant un cinquième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 6] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail d'un sixième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 7] représente une vue schématique et partielle illustrant un autre détail du sixième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 8] représente une autre vue simplifiée du quatrième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 9] représente une autre vue simplifiée du cinquième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention.
Le dispositif 1 de réfrigération à dilution représenté à la [Fig.
1] comprenant un circuit 20 de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 ( 3He ou hélium 3 ) et d'hélium d'isotope 4 ( 4He ou hélium 4 ). Ce circuit 20 de travail comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites 2, 4, une chambre 3 de mélange, un bouilleur 5 et un organe 6 de transfert.
Le premier ensemble de conduites 2, 4 est configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre 3 de mélange à une entrée du bouilleur 5 et d'une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l'organe 6 de transfert.
Le circuit 20 de travail comprend un deuxième ensemble de conduite 7 reliant une sortie de l'organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3.
Le bouilleur 5 (ou évaporateur) assure classiquement une séparation de phase entre l'hélium 3 et l'hélium 4 (le bain, qui contient par exemple 1% en mole d'hélium 3 est par exemple à une

8 température comprise entre 0,7 et 1K). Le bouilleur 5 alimente l'organe 6 de transfert en hélium 3 via le premier ensemble 4 de conduite.
Dans la chambre 3 de mélange la température peut être de l'ordre par exemple de 5 à 300mK et notamment entre 5 et 150mK. L'hélium 3 liquide concentré renvoyé par l'organe 6 de transfert dans la chambre 3 de mélange peut être localisé en partie supérieure ce cette chambre 3, au-dessus d'une phase liquide diluée (contenant par exemple 6 à 7 % d'hélium 3). Une extrémité du premier ensemble de conduite 7 débouche par exemple dans cette phase concentrée supérieure.
Dans la chambre 3 de mélange, la phase concentrée en hélium 3 injectée se dilue dans la phase diluée, c'est ce processus de dilution endothermique qui produit la puissance frigorifique à
la température de la chambre 3 de mélange.
Le froid produit peut être utilisé pour refroidir un utilisateur (symbolisé par la référence 24 à la [Fig. 1]).
Le circuit 20 de travail comprend au moins une première portion

9 d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite 2, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7.
La première portion 9 d'échange de chaleur est située entre le bouilleur 5 et la chambre 3 de mélange.
Cette portion 9 d'échange de chaleur utilise par exemple au moins un échangeur de chaleur à contre-courant qui permet de pré-refroidir la phase concentrée en Hélium3 réinjectée dans la boîte 3 à mélange par la phase diluée en hé1ium3 qui remonte de cette boîte 5 à mélange vers le bouilleur 5.
L'efficacité des échangeurs 9 de chaleur contre-courant entre phases diluée et phase concentrée est le point critique de ces réfrigérateurs à dilution. Les résistances thermiques dites de Kapitza qui apparaissent à très basses températures entre l'hélium et les matériaux solides et s'accroissent comme l'inverse du carré de la température rendent très difficile et critique le dimensionnement de ces échangeurs.

Dans l'exemple de la [Fig. 1], l'organe 6 transfert comprend par exemple un compresseur du fluide de cycle. Par exemple, ce compresseur 6 fonctionne à température ambiante (par exemple en dehors d'une boîte 29 froide qui contient le reste du dispositif). C'est-à-dire que ce compresseur 6 peut être à
température non cryogénique en configuration de fonctionnement du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Le dispositif 1 comprend en outre au moins un organe 22 de refroidissement en échange thermique avec le circuit 20 de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, c'est-à-dire pour refroidir le fluide de cycle.
Par exemple, l'organe 22 de refroidissement comprend un échange thermique avec le circuit 20 de travail (seconde ensemble de conduite 7) pour refroidir le fluide à la sortie de l'organe 6 de transfert (par exemple à 1,3 à 1,4K).
Le circuit 20 de travail comprend en outre un organe 8 de pompage cryogénique situé entre le bouilleur 5 et l'organe 6 de transfert.
De préférence, le dispositif 1 comprend donc au moins une boîte 29 froide isolée thermiquement qui contient tout ou partie des composants froids (cryogéniques du dispositif 1). L'organe 8 de pompage est situé dans la boîte froide 29.
Cet organe 8 de pompage cryogénique fonctionne ainsi de préférence à des températures froides entre la température du bouilleur et la température ambiante (température ambiante exclue).
L'organe 6 de transfert est de préférence situé hors de la boîte froide 29 (par exemple à température ambiante) mais pourrait être également situé dans la boîte froide 29 dans certaines variantes.
Cet organe 8 de pompage cryogénique est configuré pour pomper le fluide par exemple à une température de 1,8K à 4K. Cet organe 8 de pompage comprend par exemple une pompe de type turbo moléculaire, Holweck , à roue centrifuge ou toute combinaison de ces technologies.
Cet organe 8 de pompage est configuré pour une basse pression (environ 0,1 millibar par exemple) et une température basse (par 5 exemple environ 700/850mK) conformes au fonctionnement du bouilleur 5. Cet organe 8 de pompage cryogénique est de préférence configuré pour pomper de l'hé1ium3 ayant une pression d'environ 0,1mbar ou moins.
Cette architecture avec un organe 8 de pompage dans la partie

10 froide du circuit 20 permet d'augmenter le débit de fluide de cycle et donc la puissance de froid produite. Cet agencement permet en particulier d'atteindre des puissances froides produites qui ne pourraient pas être atteintes par les systèmes connus (en raison notamment des tailles des compresseurs 6 requis et de l'efficacité attendue).
Cette agencement permet une meilleure efficacité de pompage avec une pompe 8 de taille relativement réduite opérant à froid (par exemple à 4K ou 1,8K) avec une ligne de pompage courte donc sans réduction de la pression d'aspiration par les pertes de charge.
Ceci n'est pas possible dans la configuration classique avec uniquement un organe 6 de pompage ou pompe située à température ambiante (des pertes de charge dans la tuyauterie d'aspiration_).
Dans le mode de réalisation de la [Fig. 2], le dispositif comprend plusieurs échangeurs 9 de chaleur à contre-courant dans le circuit 20 entre la chambre 3 de mélange et le bouilleur 5.
De plus, le dispositif 1 comporte une seconde portion 10 d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite 2, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7 et située entre le bouilleur 5 et l'organe 6 de transfert. Cette seconde portion 10 d'échange peut comprendre un échangeur de chaleur à contre-courant entre les deux ensembles de conduites 2, 7. Cet échangeur 10 de chaleur peut être en échange de chaleur avec un organe 12 de refroidissement qui assure ainsi un pré-

11 refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l'ordre de 4K).
Une autre (troisième) portion 23 d'échange de chaleur peut être prévue (en plus ou alternativement) entre l'organe 8 de pompage et le bouilleur 5. Cette troisième portion 23 d'échange de chaleur peut être prévue par exemple pour assurer un pré-refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l'ordre de 1,8K). La troisième portion 23 d'échange de chaleur peut recevoir du froid d'un organe 22 de refroidissement.
Comme illustré, le circuit 20 peut comporter une portion 11 d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite 7 et le bouilleur 5. Cet échange de chaleur peut par exemple amener le fluide de cycle à une température de l'ordre de 0,6 à 1Kpar exemple.
Dans la chambre 3 de mélange le fluide peut atteindre une température inférieure à 20mK par exemple jusqu'à 5mK.
Le fluide dans le bouilleur 5 a par exemple une pression comprise entre 0,05 et 0,1 mbar.
Cette architecture permet un pompage dans la conduite 4, 2 remontant à la température ambiante à une pression plus élevée que dans la configuration des systèmes connus. Cette architecture permet de limiter les problèmes de pertes de charges dans la ligne de pompage jusqu'à l'ambiante et une réduction du débit volumique dans l'organe 6 de compression. Cet organe 8 de pompage assure une compression à froid qui augmente le débit tout en réduisant drastiquement la taille et l'énergie nécessaire pour le pompage (par rapport aux architectures avec compressions à température ambiante).
Cet organe 8 de pompage peut pomper le fluide par exemple avec une pression de refoulement comprise entre 10 et 500mbar notamment 300mbar.
A noter que l'organe 8 de pompage cryogénique peut être situé à
n'importe quelle température de cycle 20 entre le bouilleur 5 et

12 l'organe 6 de transfert (cas du compresseur notamment) qui est à température ambiante.
Ceci permet de choisir le cas échant le niveau de température du fluide de cycle qui sera pompé (par exemple en cas de contrainte technologique, de dissipation thermique de la pompe cryogénique...).
Cet organe 8 de pompage peut le cas échéant être thermalisé
(c'est-à-dire mis en froid ou maintenu en froid) par l'organe 22 de refroidissement précité (ou un autre organe de refroidissement 12 du dispositif).
Dans le mode de réalisation de la [Fig. 3], l'organe 6 transfert comprend ou est constitué d'un échangeur 26 de chaleur qui est de préférence également dans la partie froide du dispositif 1.
C'est-à-dire que, en sortie de l'organe 8 de pompage cryogénique, le fluide pompé est maintenu en froid avant d'être renvoyé dans le deuxième ensemble 7 de conduite du circuit 20. Cette configuration peut être obtenue après un démarrage du dispositif qui comporte un organe 6 de transfert chaud tel qu'un compresseur comme décrit ci-dessus. C'est à dire que le dispositif est démarré par exemple dans la configuration de la [Fig. 2] puis le compresseur 6 mis hors circuit ou by-passé par un échangeur 6 froid et l'ensemble du dispositif 1 est en froid (dans une boîte froide par exemple).
L'échangeur 26 de l'organe 6 de transfert peut être configuré
pour échanger thermiquement avec une source de froid (un organe 22 de refroidissement par exemple) en vue d'un pré-refroidissement, par exemple à une température de 4K.
Dans cette architecture, il n'y a pas de système de compression à température ambiante en sortie de l'organe 8 de pompage cryogénique. Cette boucle intégralement froide est plus simple, moins coûteuse tout en étant efficace.
Le au moins un organe 22, 12 de refroidissement qui est prévu pour refroidir ou pré-refroidir le fluide de cycle comprend de préférence un réfrigérateur (et/ou liquéfacteur) cryogénique.

13 Un exemple d'association d'un tel réfrigérateur et d'un dispositif de réfrigération à dilution est représenté à la [Fig.
4] (ou plus schématiquement à la [Fig. 8]).
Le réfrigérateur 12 comprenant généralement un circuit 13 de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail (comprenant de préférence de l'hélium et éventuellement au moins un autre gaz : hydrogène, azote, argon.") cf. [Fig. 4].
Le circuit 13 de travail forme un cycle comprenant en série:
- un mécanisme 14 de compression du fluide de travail (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle), - un mécanisme 15 de refroidissement du fluide de travail (échangeur (s) de chaleur à contre-courant par exemple), - un mécanisme de détente du fluide de travail (une ou plusieurs turbines 16 de détente et/ou des vannes 17 de détente de type Joule-Thomson ou autre), - un mécanisme de réchauffement du fluide de travail (par exemple échangeur(s) à contre-courant pour réchauffer le fluide de travail retournant au mécanisme de compression).
Comme illustré, au moins un compresseur 25 froid peut être prévu dans le circuit avant l'échangeur 15 à contre-courant et avant le retour dans le mécanisme 14 de compression.
De préférence, le gaz de travail est soumis dans le circuit à un cycle thermodynamique de type Claude ou Ericsson inverse.
Le réfrigérateur 12 possède au moins une portion 18, 27 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme 16 de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution, pour refroidir et/ou pré-refroidir.
Le réfrigérateur 12 cryogénique comprend de préférence au moins une cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de 16, 17 de détente du fluide de travail. Le réfrigérateur 12 est configuré pour liquéfier du fluide de travail dans la ou les cuves cuve 19.

14 La ou les portions 18, 27 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution comprend de préférence un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé
dans la au moins une cuve 19 et le fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Dans l'exemple non limitatif de la [Fig. 4] ou de la [Fig. 8], le réfrigérateur 12 cryogénique comprend deux cuves 19 de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail. Ainsi le réfrigérateur 12 est configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves 19 à des températures de cycle respectives distinctes (par exemple, selon le sens de circulation du fluide de travail respectivement de l'hélium liquide à 4K et du liquide à 1,8K).
Les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves 19 sont mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements 18, 27 distincts respectifs du circuit de travail du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Dans cette représentation schématique, l'échange thermique entre le fluide liquéfié et le fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution est symbolisé par une portion d'échange thermique du circuit 20 de travail avec le bain des cuves. Plus précisément, une première portion 27 du deuxième ensemble 7 de conduite (et/ou portion 18 du premier 4 ensemble de conduites) est en échange de chaleur direct avec l'intérieur d'une cuve 19 et une seconde portion 27 du deuxième ensemble 7 de conduite (et/ou portion 18 du premier ensemble 2 de conduite) est en échange de chaleur direct avec l'intérieur de l'autre cuve 19).
Comme illustré, toutes les parties froides (cryogéniques) de l'installation peuvent être disposées dans une boîte 29 froide isolée thermiquement et sous vide. C'est-à-dire que seuls l'organe 6 de transfert (compresseur) et le mécanisme 14 de compression, qui sont à une température non cryogénique (par exemple ambiante) sont en dehors de la boîte 29 froide.
Tout ou partie de ce système de refroidissement et/ou pré-refroidissement peut être applique au dispositif 1 de 5 réfrigération à dilution du mode de réalisation de la [Fig. 3].
C'est-à-dire que le ou les organes 12, 22 de refroidissement/pré-refroidissement du dispositif de la [Fig. 3] peuvent comprendre ou être constitués du même dispositif de réfrigération de la [Fig. 4] décrit ci-dessus, par exemple un réfrigérateur de pré
10 refroidissement à cycle Claude ayant une puissance froide disponible à 4 à 5 K et 1 à 2K par exemple. C'est-à-dire qu'un liquéfacteur ou réfrigérateur12 peut apporter tout ou partie de la puissance froide au dispositif 1 de réfrigération à dilution de la [Fig. 3]. Dans ce cas, l'organe 6 de transfert froid

15 (échangeur de chaleur froid 26) pourrait être également dans la boîte 29 froide (seul le mécanisme 14 de compression serait disposé en dehors).
Comme représenté aux exemples de la [Fig. 5] (ou plus schématiquement à la [Fig. 9], le dispositif 1 de refroidissement à dilution peut comporter plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre 3 de mélange et un bouilleur 5 respectifs. Le circuit 20 de travail du fluide de cycle peut ainsi comprendre plusieurs premiers ensembles de conduites 2, 4 distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite 7 distincts. C'est-à-dire que la production de froid peut comprendre plusieurs systèmes à dilution qui de préférence partagent au moins une partie des organes constitutifs. Ceci est schématisé notamment à la [Fig. 5] où deux boucles de dilution ont été représentées et deux autres boucles potentielles ont été
symbolisées par des pointillés. Les éléments déjà décrits sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont explicités en détail une seconde fois. A la [Fig. 9] seules trois boucles de dilution ont été représentées.

16 Ainsi, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution peuvent comprendre un organe 6 de transfert commun (compresseur et/ou échangeur comme décrit précédemment). C'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe 6 de transfert mutualisé. Les premiers ensembles de conduites 2, 4 et deuxièmes ensembles de conduite 7 correspondantes peuvent ainsi être raccordées en parallèle à l'organe 6 de transfert commun.
De même, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution peuvent comprendre un organe 8 de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite (est pompé) dans un même organe 8 de pompage mutualisé dans une conduite collectrice commune. Les premiers ensembles de conduites 2, 4 et/ou les deuxièmes ensembles de conduite 7 correspondantes peuvent alors être raccordées en parallèle audit organe 8 de pompage commun. Ceci est cependant facultatif. Ainsi, en variante ou en combinaison, l'une ou plusieurs ou toutes les différentes boucles de dilution peuvent comprendre un ou plusieurs organe 8 de pompage propre(s) qui n'est pas partagé. C'est-à-dire que, en plus du ou des organes 8 de pompage partagés, une ou plusieurs boucles de dilution peut comprendre un ou plusieurs organe 8 de pompage situé sur une conduite qui n'est pas partagée avec une autre boucle de dilution.
De plus, comme illustré, tout ou partie de ces multiples systèmes de réfrigération à dilution peuvent être pré-refroidis et/ou refroidis par un même organe 12, 22 de refroidissement/pré-refroidissement.
L'appareil de refroidissement commun peut ainsi comprendre un réfrigérateur 12 cryogénique tel que décrit ci-dessus (comprenant un circuit 13 de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant par exemple de l'hélium, le circuit 13 de travail formant un cycle comprenant en série:
un mécanisme 14 de compression du fluide de travail, un mécanisme

17 15 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 16, 17 de détente du fluide de travail et un mécanisme 15 de réchauffement du fluide de travail). Ce réfrigérateur 12 comprend au moins une portion 18 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme 16 de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution.
Comme précédemment, le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil de refroidissement commun peut comprendre au moins une cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié (notamment deux cuves). Le dispositif comprenant une conduite 21 de transfert reliant chaque cuve 19 de stockage à au moins une portion 18 d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution. Le fluide ayant servi à
refroidir/pré-refroidir les boucles de dilution est renvoyé vers le circuit 13 de travail par une conduite 121 de retour respective.
La [Fig. 6] représente une vue schématique d'une partie exemple possible de structure d'une partie d'une des boucles de dilution de la [Fig. 5]. Dans cet exemple, l'organe 8 de pompage cryogénique est mutualisé (et n'est pas représenté). C'est à-dire que le fluide sortant du bouilleur 5 est renvoyé vers l'organe 8 de pompage commun. Le pré-refroidissement de la boucle de dilution comprend une première réserve 18 de fluide de refroidissement liquéfié (par exemple à une température de 4K) en échange thermique avec la boucle de dilution (le deuxième ensemble 7 de conduite notamment) avant le bouilleur 5. De même, le pré-refroidissement de la boucle de dilution comprend une deuxième réserve 18 de fluide de refroidissement liquéfié (par exemple à une température de 1,8K) en échange thermique avec la boucle de dilution (le deuxième ensemble 7 de conduite notamment)

18 entre la première réserve et le bouilleur 5. Chacune des réserves 18 est reliée au réfrigérateur 12 commun via des conduites de transfert 21 et des conduites 121 de retour respectives de liquide.
La [Fig. 7] représente l'agencement possible des liaisons fluidiques des différentes boucles de dilution au réfrigérateur commun. En partie supérieure sont représentées six conduites 21 de transfert alimentant respectivement les réserves 18 de six boucles de liquéfaction en vue de leur pré-refroidissement et les six conduites 121 de retour respectives renvoyant le fluide cryogénique liquéfié ayant servi à pré-refroidir six boucles de dilution. Comme schématisé sur deux lignes, les conduites 21 de transfert peuvent comprendre chacune une vanne 28 de contrôle ou d'arrêt du flux.
Les conduites 21 de transfert sont raccordées à une première cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié. Les conduites 121 de retour sont raccordées au circuit de travail.
Les extrémités des premiers ensembles 2 de conduites sont raccordées à une conduite collectrice comprenant l'organe 8 de pompage cryogénique commun.
En partie inférieure sont représentées six conduites 21 de transfert alimentant respectivement les réserves 18 de six boucles de liquéfaction en vue de leur refroidissement et les six conduites 121 de retour respectives renvoyant le fluide cryogénique liquéfié ayant servi à refroidir six boucles de dilution.
Les conduites 21 de transfert sont raccordées à une seconde cuve

19 de stockage de gaz de travail liquéfié. Les conduites 121 de retour sont raccordées au circuit de travail.
Ainsi, le dispositif 1 selon l'invention permet une architecture distribuée comprenant plusieurs (six dans cet exemple mais qui pourrait être tout autre, par exemple dix ou plus) boucles distinctes de dilution produisant du froid et refroidies par un organe 12 ou cryostat central assurant le pré-refroidissement des fluides de cycles de la température ambiante à une température cryogénique cible (par exemple 4K ou/et 1,8K) Selon une possibilité l'organe 8 de pompage cryogénique des bouilleur 5 des étages froids des dilutions satellites est mutualisé.
De cette façon, il est possible de mettre en uvre des parties froides de dilutions avec des débits raisonnables pour les échangeurs 9 à contre-courant. De plus cette architecture à
boucles de dilution multiples permet, en plus de sa modularité, d'isoler une ou plusieurs boucles pour une réparation tandis que les autres boucles de dilutions sont actives.
L'organe 12 de refroidissement commun permet de refroidir efficacement les divers composants.
L'invention permet d'augmenter la capacité de débit de pompage gui augmente la puissance froide produite par dilution.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1.
Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d'une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite (7) reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première portion (9) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7), la première portion (9) d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe (22, 12) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (20) de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, le dispositif (1) comprenant au moins une boîte (froide (29) isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe (8) de pompage cryogénique situé dans le circuit (20) de travail dans la au moins une boîte froide (29) entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert.

2. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (6) transfert comprend un compresseur du fluide de cycle.

3. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (6) transfert comprend un échangeur (26) de chaleur.

4. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de pompage oryogénique est situé dans le premier ensemble de conduites (2, 4) du circuit (20) de travail, et en ce que, en configuration de fonctionnement du dispositif de réfrigération, le fluide de cycle y est admis à une température cryogénique, notamment comprise entre 0,5K et 80K.

5. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de pompage cryogénique est configuré pour pomper le fluide du cycle ayant une pression d'admission comprise entre 0,01mbar et 100mbar.

6. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde portion (10) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7) et située entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert et en ce que le au moins un organe (8) de pompage cryogénique est situé entre la seconde portion (10) d'échange de chaleur et le bouilleur (5) et/ou entre la seconde portion (10) d'échange de chaleur et l'organe (6) de transfert.

7. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comporte un appareil (12) de refroidissement en échange de chaleur avec le deuxième ensemble de conduite (7) entre l'organe (6) de transfert et l'organe (3) de mélange, l'organe (12, 22) de refroidissement étant configuré pour refroidir le fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.

8. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une portion (11) d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite (7) et le bouilleur (5).

9. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comprend un réfrigérateur (12) cryogénique comprenant un circuit (13) de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail comprenant de l'hélium, le circuit (13) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (14) de compression du fluide de travail, un mécanisme (15) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail et un mécanisme (15) de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur (12) comprenant au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme (16) de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.

10. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 9, caractérisé en ce que le réfrigérateur (12) cryogénique comprend au moins une cuve (19) de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de (16, 17) de détente du fluide de travail, le réfrigérateur (12) étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite cuve (19), et en ce que la au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu eL au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution comprend un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé dans la au moins une cuve (19) et le fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.

11. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique comprend au moins deux cuves (19) de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves (19) à des températures respectives distinctes, et en ce que les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves (19) sont mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements distincts respectifs du circuit de travail du dispositif de réfrigération à dilution.

12. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le circuit (20) de travail comprend plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre (3) de mélange et un bouilleur (5) respectifs, c'est-à-dire que le circuit (20) de travail du fluide de cycle comprend plusieurs premiers ensembles de conduites (2, 4) distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite (7) distincts.

13. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe (6) de transfert commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe (6) de transfert mutualisé, les premiers ensembles de conduites (2, 4) et deuxièmes ensembles de conduite (7) correspondantes étant raccordées en parallèle à l'organe (6) de transfert conuitun.

14. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe (8) de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe (8) de pompage mutualisé, les premiers ensembles de conduites (2, 4) et/ou les deuxièmes ensembles de conduite (7) correspondantes étant raccordées en parallèle audit organe (8) de pompage commun.

15. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent chacune un organe (8) de pompage distinct respectif.

16. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comporte un appareil (12) de refroidissement commun pour refroidir au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes.

17. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'appareil (12) de refroidissement commun comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit (13) de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant de l'hélium, le circuit (13) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (14) de compression du fluide de travail, un mécanisme (15) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail et un mécanisme (15) de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme (16) de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution.

18. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 17, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil (12) de refroidissement commun comprend au moins une cuve (19) de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite au moins une cuve (19), le dispositif de réfrigération comprenant une conduite (21) de transfert reliant ladite au moins une cuve (19) de stockage à au moins une portion (18) d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à
dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.

19. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique formant le au moins un organe (22, 12) de refroidissement commun comprend au moins deux cuves (19) de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configure pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves (19) à des températures respectives distinctes, et en ce que le dispositif de réfrigération comporte un ensemble de conduites (21) de transfert reliant les cuves (19) de stockage à
respectivement des portions distinctes d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution du dispositif de réfrigération à
dilution, pour assurer des échanges thermiques entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans lesdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.

20. Procédé de refroidissement d'au moins un organe (24) utilisateur au moyen d'un dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 19 dans lequel le fluide de cycle est mû dans le circuit (20) de travail par le au moins un organe (8) de pompage cryogénique.