EP2707660A2 - Dispositif et procede de refroidissement cryogenique - Google Patents

Dispositif et procede de refroidissement cryogenique

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Publication number
EP2707660A2
EP2707660A2 EP12722447.5A EP12722447A EP2707660A2 EP 2707660 A2 EP2707660 A2 EP 2707660A2 EP 12722447 A EP12722447 A EP 12722447A EP 2707660 A2 EP2707660 A2 EP 2707660A2
Authority
EP
European Patent Office
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cryo
cryocooler
cooler
enclosure
cold head
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12722447.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fabien Durand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP2707660A2 publication Critical patent/EP2707660A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B5/00Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/06Several compression cycles arranged in parallel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/17Re-condensers

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic cooling device and method.
  • the invention more particularly relates to a cryogenic cooling device comprising a main cryo-cooler comprising a cold head disposed in a first selectively evacuated chamber, a working fluid reservoir disposed in a second selectively evacuated chamber, a control member. cooling being disposed in the tank in heat exchange with the working fluid, the cold head of the main cryo-cooler being thermally connected with a heat exchanger, itself fluidly connected to the tank via pipes forming a first circulation loop for the working fluid, the pipes passing from the first to the second enclosure.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the selectively vacuum volumes of the first and second enclosures are independent and in that the device comprises a secondary cryo-cooler comprising a cold head disposed in a third chamber selectively evacuated, the cold head of the secondary cryocooler being thermally connected with a heat exchanger, itself fluidly connected to the reservoir via pipes forming a second circulation loop for the working fluid, and in that the selectively evacuated volume of the third enclosure is independent of the selectively vacuum volumes of the first and second enclosures.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • At least one of the first and third enclosures is sealed with at least one selectively removable cover
  • At least one selectively removable cover is arranged in the lower part of the enclosure, adjacent to the cold head,
  • At least one cover is sealingly mounted on the body of the enclosure via fixing screws,
  • the device comprises, around the conduits passing from the first to the second chamber, vacuum barriers ensuring a separation of the selectively vacuum volumes of the first and second enclosures, the vacuum barriers being arranged in at least one tubular portion forming a junction between the first and second speakers,
  • the device comprises, around the conduits passing from the third to the second chamber, vacuum barriers ensuring a separation of the selectively evacuated volumes of the third and second enclosures, the vacuum barriers being arranged in at least one tubular portion forming a junction between the third and the second speakers,
  • the cold head of the cryo-cooler is associated with a heat exchanger forming a condenser for the working fluid
  • the cold head of the main cryo-cooler is connected to the tank via two pipes whose upstream ends are connected to a hermetic volume placed under the cold head of the main cryo-cooler, the downstream ends of the pipes being connected to an upper end of the tank; via a vertical or substantially vertical portion,
  • the cold head of the secondary cryo-cooler is connected to the tank via two pipes whose upstream ends are connected to a hermetic volume placed under the cold head of the secondary cryo-cooler and the downstream ends are connected to an upper end of the tank via a vertical or substantially vertical portion,
  • At least one of: the main cryocooler and the secondary cryo-cooler is arranged in a vertical configuration
  • the vacuum barriers comprise, for example, at least one of the following organs: a so-called “simple cone” system, a so-called “double cone” system,
  • a heater for example an electric heater, is mounted on at least one heat exchanger of a cold head of a cryo-cooler, the enclosure or enclosures are evacuated with air at a pressure of between 10 -3 and 10 -6 mbar,
  • the member to be cooled comprises a coil or superconductive electric cables
  • the device comprises several secondary cryo-coolers,
  • the secondary cryo-cooler or one of the secondary cryo-coolers is in operation and participates in cooling the organ at the same time as the main cryo-cooler,
  • the working fluid comprises or consists of at least one of: helium, hydrogen, neon, nitrogen, argon, oxygen, methane, krypton, Xenon, CnHm, ammonia, CFC, HCFC, HFC or any other refrigerant,
  • the fluid loop can use a buffer volume to limit the pressure rise of the loop when the system is at room temperature.
  • the invention also relates to a method for low temperature cooling of an organ via a cryogenic cooling device according to any one of the above characteristics or below, in which the main cryocooler is used for cooling the organ the first chamber and the second chamber being evacuated, the secondary cryocooler being selectively shut down or in operation while the main cryocooler is in operation.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the main cryocooler is stopped and, simultaneously or in advance, the secondary cryocooler is started to cool the organ, the third chamber being evacuated or kept under vacuum,
  • the cold head of the frozen cryocooler is warmed to an ambient temperature via at least one of the following steps: by spontaneous natural warming ; by controlled active warming; by forced circulation of gas at ambient temperature in the cryocooler enclosure or around the exchanger or exchangers via a coiled tube or any other device; by putting the volume of the cryocooler enclosure at atmospheric pressure,
  • the method comprises a step of repairing or maintaining one of the two cryo-coolers while the other cryo-cooler is in operation and cooling the organ, the method comprising: - stopping or maintaining the stop of the operation of the cryo-cooler intended to undergo repair or maintenance,
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the cryogenic cooling device comprises a main cryo-cooler 18 having, typically, a cold head 19.
  • the main cryo-cooler 18 (and in particular the cold head 19) is disposed in a first enclosure 16 selectively evacuated.
  • the cold head 19 is provided for example with a heat exchanger 17 to ensure liquefaction of a working fluid.
  • the exchanger 17 is for example screwed by screws 20 at the base of the cold head 19.
  • the main cryo-cooler 18 delimits a volume 21 for the liquefied working fluid, this volume being connected via two upper 31 and lower 30 lines respectively, to a reservoir 9 of storage of liquefied working fluid.
  • This liquefied working fluid storage reservoir 9 contains the organ 8 to be cooled by heat exchange (direct or indirect) with the liquefied working fluid.
  • the storage tank 9 is housed in a second enclosure 10 selectively evacuated independently from the first enclosure 16. That is to say that the conduits 30, 31 transit from the first 16 to the second enclosure 10 through tubular portions 23 forming junctions between the first 16 and the second 10 enclosures.
  • the second enclosure 10 rests for example on the ground via a base and is for example sealed in the upper part by a removable cover 1 1 (for example via screws 14).
  • the independence of the voids within the volumes of the first 16 and second 10 enclosures is achieved for example via one or 40 vacuum barriers respectively disposed around the conduits 30, 31, inside the tubular portions 23 forming the junctions.
  • the vacuum barriers 40 may comprise any known system such as a double cone.
  • the device comprises a secondary cryocooler 1, for example of the same type as main cooler 18.
  • the secondary cryo-cooler 1 has a structure equivalent to that described above. That is to say, the cold head 7 of the secondary cryo-cooler 1 is disposed in a third enclosure 4 selectively evacuated. As before, the cold head 7 is provided with a heat exchanger 2 to ensure liquefaction of a working fluid.
  • the exchanger 2 is screwed by screws 5 at the base of the cold head 7.
  • the secondary cryo-cooler 1 delimits a volume 121 for the liquefied working fluid, this volume 121 being connected via two upper and lower lines 131 131 to the same reservoir 9 of storage of liquefied working fluid.
  • the second enclosure 10 is selectively evacuated independently from the third enclosure 4.
  • the conduits 130, 131 pass from the third 4 to the second enclosure 10 through tubular portions 23 forming junctions between the third 4 and the second 10 speakers.
  • the independence of the voids within the volumes of the third 4 and second 10 enclosures is achieved via one or 40 vacuum barriers respectively disposed around the conduits 130, 131, inside the tubular portions 23 forming the junctions.
  • the speakers 16, 10 and 4 are isolated from each other by barriers 40 to vacuum so as to be able to evacuate the different enclosure independently of each other.
  • the device can be used to maintain the member 8 at a cryogenic temperature (for example 100 K).
  • the member 8 to be maintained at cryogenic temperature may for example be a superconducting coil, a heat exchanger in heat exchange with another heat transfer fluid, or any other suitable member.
  • the member 8 to be cooled bathes in a bath of liquid nitrogen at a temperature of 100K for example.
  • the heat generated by the member 8 evaporates part of the liquid nitrogen from the bath 9.
  • This nitrogen gas travels upwards via the upper line 31 of the main cryo-cooler 18.
  • the nitrogen gas is liquefied again.
  • the exchanger 17 is maintained at a temperature slightly below 100K by the cryo-cooler 18 which is in operation.
  • the cooler head 19 of the main cryo-cooler 18 extracts heat at the adjacent exchanger 17.
  • the liquid nitrogen produced falls by gravity into the volume 21 located under the exchanger 17 and then travels downwards via the lower pipe 30 to the bath in the reservoir 9. This process occurs continuously in a working loop for the working fluid (nitrogen in this example).
  • a heater for example electric, (not shown) can be mounted on the heat exchanger 17 of the cold head 19 of the cryo-cooler 18 main to regulate its temperature.
  • the secondary cryocooler 1 preferably has a structure and operation identical to that of the main cryo-cooler 18.
  • the secondary cryocooler 1 is preferably used in reserve. When the main cryocooler 18 is operating, the secondary cryo-cooler 1 is stopped and the temperature of its cold head 7 is close to the ambient temperature. The working fluid contained in the exchanger 2, the pipes 130, 131 is in the gaseous state.
  • the gas in the ducts 130, 131 forms, by thermal stratification, gaseous thermal plugs which limit the heat transfer between the secondary cryocooler 1 at standstill and the reservoir 9.
  • the secondary cryo-cooler 1 can be started, for example automatically.
  • the pressure of the first chamber 16 can be raised from vacuum to atmospheric pressure, for example by means of a valve (not shown) allowing a selective communication between the interior volume of the enclosure 16 and the outside atmosphere .
  • the first 16 and the third 4 enclosures are sealed by at least one insulating cap and selectively removable allowing direct access to the cryo-cooler, including its cold head.
  • the first 16 and the third 4 speakers are mechanically connected to the second speaker and are raised above the floor.
  • the removable cover 15 is for example placed in the lower part of each first 16 and the third 4 enclosure, adjacent to the cold head 19, 7.
  • Each cover 15 is for example mounted on the body of its enclosure 16, 4 via fixing screws 22 or any other suitable system.
  • the cover 15 is removed.
  • the operator can then dismantle the exchanger 17, for example by removing fixing screws 20 on the cold head 19.
  • the flange 12 of the cryo-cooler 18 can then be disconnected from the enclosure 16 (for example by removing screws 13 fixing).
  • the cryo-cooler can then be removed for replacement or maintenance.
  • a new cryocooler or repaired cryo-cooler can then be reinstalled.
  • the flange 12 is fixed again to the enclosure 16.
  • the screws 20 for fixing the exchanger 17 on the cold head 19 are replaced.
  • the cover 15 is also reassembled.
  • the vacuum is then again created in the first chamber 16, for example by means of a vacuum pump via a valve (not shown).
  • the main cryo-cooler 18 repaired or changed can then be started in case of malfunction or maintenance of the secondary cryo-cooler 1 which present ensures the production of cold.
  • the procedure for replacing or maintaining the other cryocooler may be identical to that described above.
  • Cryo-coolers can for example operate according to a gifford mac mahon cycle.
  • Cryo-cooler 1, 18 can be isolated using a super-insulation type multi-layer or single-layer.

Landscapes

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Abstract

Procédé et dispositif de refroidissement cryogénique comprenant un cryo-refroidisseur (18) principal comportant une tête froide (19) disposée dans une première enceinte (16) sélectivement mise sous vide, un réservoir (9) de fluide de travail disposé dans une seconde enceinte (10) sélectivement mise sous vide, un organe (8) à refroidir étant disposé dans le réservoir (9) en échange thermique avec le fluide de travail, la tête (19) froide du cryo-refroidisseur (18) principal étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur (17), lui-même relié fluidiquement avec le réservoir (9) via des conduites (30, 31) formant une première boucle de circulation pour le fluide de travail, les conduites (30, 31) transitant de la première (16) à la seconde (10) enceinte, caractérisé en ce que les volumes sélectivement sous vide des première (16) et seconde (10) enceintes sont indépendants et en ce que le dispositif comporte un cryo-refroidisseur (1) secondaire comprenant une tête froide (7) disposée dans une troisième enceinte (4) sélectivement mise sous vide, la tête (7) froide du cryo-refroidisseur (1) secondaire étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur (2), lui-même relié fluidiquement avec le réservoir (9) via des conduites (130, 131) formant une seconde boucle de circulation pour le fluide de travail, et en ce que le volume sélectivement sous vide de la troisième enceinte (4) est indépendant des volumes sélectivement sous vide des première (16) et seconde (10) enceintes.

Description

Dispositif et procédé de refroidissement cryogénique
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de refroidissement cryogénique.
II est à noter que les travaux menant à la présente invention ont bénéficié d'un soutien financier du septième programme-cadre de l'Union Européenne, 7e PC/2007-2013 en vertu de la convention de subvention n°241285.
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement cryogénique comprenant un cryo-refroidisseur principal comportant une tête froide disposée dans une première enceinte sélectivement mise sous vide, un réservoir de fluide de travail disposé dans une seconde enceinte sélectivement mise sous vide, un organe à refroidir étant disposé dans le réservoir en échange thermique avec le fluide de travail, la tête froide du cryo-refroidisseur principal étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur, lui-même relié fluidiquement avec le réservoir via des conduites formant une première boucle de circulation pour le fluide de travail, les conduites transitant de la première à la seconde enceinte.
Le document US20090049862A1 décrit un dispositif de réfrigération utilisant un cryo-refroidisseur (« cryocooler ») pour liquéfier un fluide de travail, par exemple de l'azote. Le fluide de travail liquéfié est utilisé classiquement pour refroidir une application à très basse température, typiquement des câble supra-conducteurs.
Dans des applications électriques sensibles, ce type de refroidisseur doit pouvoir fonctionner sans interruption. Cependant, les solutions connues ne permettent pas la maintenance ou la réparation du dispositif de réfrigération de façon simple et aisée pour un opérateur minimisant l'impact sur la production de froid.
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 que les volumes sélectivement sous vide des première et seconde enceintes sont indépendants et en ce que le dispositif comporte un cryo-refroidisseur secondaire comprenant une tête froide disposée dans une troisième enceinte sélectivement mise sous vide, la tête froide du cryo-refroidisseur secondaire étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur, lui-même relié fluidiquement avec le réservoir via des conduites formant une seconde boucle de circulation pour le fluide de travail, et en ce que le volume sélectivement sous vide de la troisième enceinte est indépendant des volumes sélectivement sous vide des première et seconde enceintes. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l'une au moins parmi les première et troisième enceintes est obturée de façon étanche par au moins un capot sélectivement démontable,
- au moins un capot sélectivement démontable est disposé dans la partie inférieure de l'enceinte, de façon adjacente à la tête froide,
- au moins un capot est monté de façon étanche sur le corps de l'enceinte via des vis de fixation,
- le dispositif comporte, autour des conduites transitant de la première à la seconde enceinte, des barrières de vide assurant une séparation des volumes sélectivement sous vide des première et seconde enceintes, les barrières de vide étant disposées dans au moins une portion tubulaire formant une jonction entre la première et la seconde enceintes,
- le dispositif comporte, autour des conduites transitant de la troisième à la seconde enceinte, des barrières de vide assurant une séparation des volumes sélectivement sous vide des troisième et seconde enceintes, les barrières de vide étant disposées dans au moins une portion tubulaire formant une jonction entre la troisième et la seconde enceintes,
- la tête froide du ou des cryo-refroidisseur est associée à un échangeur de chaleur formant un condenseur pour le fluide de travail,
- la tête froide du cryo-refroidisseur principal est reliée au réservoir via deux conduites dont les extrémités amont sont raccordées à un volume hermétique disposé sous la tête froide du cryo-refroidisseur principal, les extrémités aval des conduites étant reliées à une extrémité supérieure du réservoir via une portion verticale ou sensiblement verticale,
- la tête froide du cryo-refroidisseur secondaire est relié au réservoir via deux conduites dont les extrémités amont sont raccordée à un volume hermétique disposé sous la tête froide du cryo-refroidisseur secondaire et les extrémités aval sont reliées à une extrémité supérieure du réservoir via une portion verticale ou sensiblement verticale,
- en configuration de fonctionnement, au moins l'un parmi : le cryo- refroidisseur principal et le cryo-refroidisseur secondaire est disposé selon une configuration verticale,
- les barrières de vide comprennent par exemple au moins l'un des organes suivants : un système dit à « simple cône », un système dit à « double cône »,
- un réchauffeur, par exemple électrique, est monté sur au moins un échangeur de chaleur d'une tête froide d'un cryo-refroidisseur, - la ou les enceintes sont mises sous vide d'air à une pression comprise entre 10"3 et 10"6 mbars,
- l'organe à refroidir comprend une bobine ou des câbles électriques supraconducteurs,
- le dispositif comprend plusieurs cryo-refroidisseurs secondaires,
- le cryo-refroidisseur secondaire ou l'un des cryo-refroidisseurs secondaires est en fonctionnement et participe au refroidissement de l'organe en même temps que le cryo-refroidisseur principal,
- le fluide de travail comprend ou est constitué de l'un au moins parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, l'azote, de l'argon, de l'oxygène, du méthane, du krypton, du xénon, du CnHm, de l'ammoniac, un CFC, un HCFC, un HFC ou tout autre fluide frigorigène,
- la boucle fluide peut utiliser un volume tampon pour limiter la remonté en pression de la boucle lorsque le système est à température ambiante.
L'invention concerne également un procédé de refroidissement à basse température d'un organe via un dispositif de refroidissement cryogénique selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, dans lequel cryo- refroidisseur principal est utilisé pour refroidir l'organe, la première enceinte et la seconde enceinte étant mises sous vide, le cryo-refroidisseur secondaire étant sélectivement mis à l'arrêt ou en fonctionnement pendant que le cryo-refroidisseur principal est en fonctionnement.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le cryo-refroidisseur principal est mis à l'arrêt et, simultanément ou de façon anticipée, le cryo-refroidisseur secondaire est démarré pour assurer le refroidissement de l'organe, la troisième enceinte étant mise sous vide ou maintenue sous vide,
- lors de la mise à l'arrêt d'un cryo-refroidisseur, la tête froide du cryo- refroidisseur mis à l'arrêt est réchauffée jusqu'à une température ambiante via l'une au moins des étapes suivantes : par réchauffement naturel spontané ; par un réchauffement actif commandé ; par circulation forcée de gaz à température ambiante dans l'enceinte du cryo-refroidisseur ou autour du ou des échangeurs via un tube bobiné ou tout autre dispositif ; par mise à la pression atmosphérique du volume de l'enceinte cryo-refroidisseur,
- le procédé comporte une étape de réparation ou de maintenance de l'un des deux cryo-refroidisseurs tandis que l'autre cryo-refroidisseur est en fonctionnement et assure le refroidissement de l'organe, le procédé comprenant : - un arrêt ou un maintien de l'arrêt du fonctionnement du cryo-refroidisseur destiné à subir une réparation ou de maintenance,
- un maintien à une température ambiante ou une mise à une température ambiante du cryo-refroidisseur destiné à subir une réparation ou de maintenance, - une ouverture de l'enceinte contenant le cryo-refroidisseur destiné à subir une réparation ou de maintenance,
- le démontage du cryo-refroidisseur destiné à subir une réparation ou de maintenance en vue de son remplacement ou de sa réparation sans relié à l'atmosphère le volume hermétique,
- un maintien du vide au sein de l'enceinte de l'autre cryo-refroidisseurs en fonctionnement ainsi que dans la seconde enceinte.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon un exemple de réalisation possible de l'invention.
En se référant à la figure, le dispositif de refroidissement cryogénique comprend un cryo-refroidisseur 18 principal comportant, classiquement, une tête froide 19. Le cryo-refroidisseur 18 principal (et en particulier la tête 19 froide) est disposé dans une première enceinte 16 sélectivement mise sous vide. La tête froide 19 est munie par exemple d'un échangeur 17 de chaleur pour assurer une liquéfaction d'un fluide de travail. L'échangeur 17 est par exemple vissé par des vis 20 à la base de la tête 19 froide.
En dessous de la tête froide 19 et de l'échangeur 17, le cryo-refroidisseur 18 principal délimite un volume 21 pour le fluide de travail liquéfié, ce volume étant relié via deux conduites respectivement supérieure 31 et inférieure 30, à un réservoir 9 de stockage du fluide travail liquéfié.
Ce réservoir 9 de stockage du fluide travail liquéfié contient l'organe 8 à refroidir par échange thermique (direct ou indirect) ave le fluide de travail liquéfié.
Le réservoir 9 de stockage est logé dans une seconde enceinte 10 sélectivement mise sous vide de façon indépendante par rapport à la première enceinte 16. C'est-à-dire que les conduites 30, 31 transitent de la première 16 à la seconde 10 enceinte à travers des portions tubulaires 23 formant des jonctions entre la première 16 et la seconde 10 enceintes.
La seconde enceinte 10 repose par exemple sur le sol via une base et est par exemple refermée de façon étanche en partie supérieure par un couvercle 1 1 amovible (par exemple via des vis 14). L'indépendance des vides au sein des volumes des première 16 et seconde 10 enceintes est réalisé par exemple via une ou des barrières 40 de vide disposées respectivement autour des conduites 30, 31 , à l'intérieur des portions tubulaires 23 formant les jonctions.
Les barrières 40 de vide peuvent comprendre tout système connu tel qu'un double cône.
Selon une caractéristique avantageuse, le dispositif comporte un cryo- refroidisseur 1 secondaire, par exemple du même type que refroidisseur 18 principal. Le cryo-refroidisseur 1 secondaire comporte une structure équivalente à celle décrite ci-dessus. C'est-à-dire que la tête 7 froide du cryo-refroidisseur 1 secondaire est disposée dans une troisième enceinte 4 sélectivement mise sous vide. Comme précédemment, la tête froide 7 est munie d'un échangeur 2 de chaleur pour assurer une liquéfaction d'un fluide de travail. L'échangeur 2 est vissé par des vis 5 à la base de la tête 7 froide.
En dessous de la tête froide 7 et de l'échangeur, le cryo-refroidisseur 1 secondaire délimite un volume 121 pour le fluide de travail liquéfié, ce volume 121 étant relié via deux conduites respectivement supérieure 131 et inférieure 130, au même réservoir 9 de stockage du fluide travail liquéfié.
Comme précédemment, la seconde enceinte 10 est sélectivement mise sous vide de façon indépendante par rapport à la troisième enceinte 4. Les conduites 130, 131 transitent de la troisième 4 à la seconde 10 enceinte à travers des portions tubulaires 23 formant des jonctions entre la troisième 4 et la seconde 10 enceintes.
L'indépendance des vides au sein des volumes des troisième 4 et seconde 10 enceintes est réalisé via une ou des barrières 40 de vide disposées respectivement autour des conduites 130, 131 , à l'intérieur des portions tubulaires 23 formant les jonctions.
De cette façon, les enceintes 16, 10 et 4 sont isolées les unes des autres par des barrières 40 à vide de façon à pouvoir mettre sous vide les différentes enceinte indépendamment les unes des autres.
Dans le cas où le fluide de travail est de l'azote, le dispositif peut être utilisé pour maintenir l'organe 8 à une température cryogénique (par exemple de 100 K).
L'organe 8 à maintenir à température cryogénique peut être par exemple une bobine supraconductrice, un échangeur de chaleur en échange thermique avec un autre fluide caloporteur, ou tout autre organe appropriée.
Dans un fonctionnement possible, l'organe 8 à refroidir baigne dans un bain d'azote liquide à une température de 100K par exemple. La chaleur générée par l'organe 8 évapore une partie de l'azote liquide du bain 9. Cet azote gazeux chemine vers le haut via la conduite 31 supérieure du cryo-refroidisseur 18 principal. En arrivant sur l'échangeur 17 du cryo-refroidisseur 18 principal, l'azote gazeux est liquéfié à nouveau.
A cet effet, l'échangeur 17 est maintenu à une température légèrement inférieure à 100K par le cryo-refroidisseur 18 qui est en fonctionnement. La tête froide 19 du cryo-refroidisseur 18 principal extrait de la chaleur à l'échangeur 17 adjacent. L'azote liquide produit tombe par gravité dans le volume 21 situé sous l'échangeur 17 et chemine ensuite vers le bas via la conduite 30 inférieure jusqu'au bain dans le réservoir 9. Ce processus se produit continûment selon une boucle de travail pour le fluide de travail (azote dans cet exemple).
Un réchauffeur, par exemple électrique, (non représenté) peut être monté sur l'échangeur de chaleur 17 de la tête froide 19 du cryo-refroidisseur 18 principal pour réguler sa température.
Le cryo-refroidisseur 1 secondaire a de préférence une structure et un fonctionnement identique à celui du cryo-refroidisseur 18 principal.
Le cryo-refroidisseur 1 secondaire est utilisé de préférence en réserve. Lorsque le cryo-refroidisseur 18 principal fonctionne, le cryo-refroidisseur 1 secondaire est à l'arrêt et la température de sa tête froide 7 est proche de la température ambiante. Le fluide de travail contenu dans l'échangeur 2, les conduites 130, 131 est a l'état gazeux.
Le gaz dans les conduites 130, 131 forme, par stratification thermique, des bouchons thermiques gazeux qui limitent les transferts de chaleur entre le cryo- refroidisseur 1 secondaire à l'arrêt et le réservoir 9.
En revanche, en cas de défaillance ou d'un arrêt du cryo-refroidisseur 18 principal (par exemple pour une opération de maintenance du cryo-refroidisseur principal 18), le cryo-refroidisseur 1 secondaire peut être mis en marche, par exemple automatiquement.
Après l'arrêt du cryo-refroidisseur 18 principal, sa tête froide 19 et son échangeur 17 sont réchauffés jusqu'à la température ambiante. Ce réchauffement peut être réalisé soit en attendant un réchauffement naturel, soit en utilisant un réchauffeur électrique, soit via une circulation de gaz à température ambiante, soit en faisant remonter la pression dans la première enceinte 16 à la pression atmosphérique.
La pression de la première enceinte 16 peut être remontée du vide jusqu'à la pression atmosphérique, par exemple à l'aide d'une vanne (non représentée) permettant une communication sélective entre le volume intérieur de I'enceinte16 et l'atmosphère extérieure. La première 16 et la troisième 4 enceintes sont obturées de façon étanche par au moins un capot 15 isolant et sélectivement démontable permettant d'accéder directement au cryo-refroidisseur, notamment à sa tête froide.
Par exemple, les première 16 et la troisième 4 enceintes sont raccordées mécaniquement à la seconde 10 enceinte et sont surélevées par rapport au sol.
Le capot 15 démontable est par exemple placé en partie basse de chaque première 16 et la troisième 4 enceinte, de façon adjacente à la tête froide 19, 7.
Chaque capot 15 est par exemple monté sur le corps de son enceinte 16, 4 via des vis 22 de fixation ou tout autre système approprié.
Ainsi, pour accéder au cryo-refroidisseur 18 principal, le capot 15 est démontée. L'opérateur peut ensuite démonter l'échangeur 17, par exemple en retirant des vis 20 de fixation sur la tête froide 19. La bride 12 du cryo-refroidisseur 18 peut ensuite être déconnectée de l'enceinte 16 (par exemple en retirant des vis 13 de fixation). Le cryo-refroidisseur peut alors être retiré pour effectuer son remplacement ou sa maintenance.
Un nouveau cryo-refroidisseur ou le cryo-refroidisseur réparé peut ensuite être remis en place. La bride 12 est fixée à nouveau à l'enceinte 16. Les vis 20 de fixation de l'échangeur 17 sur la tête froide 19 sont remises en place. Le capot 15 est également remonté.
Le vide est ensuite à nouveau créé dans la première enceinte 16, par exemple au moyen d'une pompe à vide via une vanne (non représentées).
Le cryo-refroidisseur 18 principal réparé ou changé peut ensuite être mis en marche en cas de disfonctionnement ou de maintenance du cryo-refroidisseur secondaire 1 qui à présente assure la production de froid.
La procédure de remplacement ou de maintenance de l'autre cryo- refroidisseur peut être identique à celle décrite ci-dessus.
Les cryo-refroidisseurs peuvent par exemple fonctionner selon un cycle gifford mac mahon. Les cryo-refroidisseur 1 , 18 peuvent être isolé à l'aide d'une super-isolation du type multi-couche ou mono-couche.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de refroidissement cryogénique comprenant un cryo- refroidisseur (18) principal comportant une tête froide (19) disposée dans une première enceinte (16) sélectivement mise sous vide, un réservoir (9) de fluide de travail disposé dans une seconde enceinte (10) sélectivement mise sous vide, un organe (8) à refroidir étant disposé dans le réservoir (9) en échange thermique avec le fluide de travail, la tête (19) froide du cryo-refroidisseur (18) principal étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur (17), lui- même relié fluidiquement avec le réservoir (9) via des conduites (30, 31 ) formant une première boucle de circulation pour le fluide de travail, les conduites (30, 31 ) transitant de la première (16) à la seconde (10) enceinte, caractérisé en ce que les volumes sélectivement sous vide des première (16) et seconde (10) enceintes sont indépendants c'est-à-dire que les vides des première et seconde enceintes sont indépendants et en ce que le dispositif comporte un cryo-refroidisseur (1 ) secondaire comprenant une tête froide (7) disposée dans une troisième enceinte (4) sélectivement mise sous vide, la tête (7) froide du cryo-refroidisseur (1 ) secondaire étant reliée thermiquement avec un échangeur de chaleur, lui-même relié fluidiquement avec le réservoir (9) via des conduites (130, 131 ) formant une seconde boucle de circulation pour le fluide de travail, et en ce que le volume sélectivement sous vide de la troisième enceinte (4) est indépendant des volumes sélectivement sous vide des première (16) et seconde (10) enceintes c'est-à-dire que les vides des première, seconde et troisième enceintes sont indépendants.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'une au moins parmi les première (16) et troisième (4) enceintes est obturée de façon étanche par au moins un capot (15) sélectivement démontable.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins un capot (15) sélectivement démontable est disposé dans la partie inférieure de l'enceinte (16, 4), de façon adjacente à la tête froide (19, 7).
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un capot (15) est monté de façon étanche sur le corps de l'enceinte (16, 4) via des vis (22) de fixation.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, autour des conduites (30, 31 ) transitant de la première
(16) à la seconde (10) enceinte, des barrières (40) de vide assurant une séparation des volumes sélectivement sous vide des première (16) et seconde (10) enceintes, les barrières (40) de vide étant disposées dans au moins une portion (23) tubulaire formant une jonction entre la première (16) et la seconde (10) enceintes.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, autour des conduites (130, 131 ) transitant de la troisième (4) à la seconde (10) enceinte, des barrières (40) de vide assurant une séparation des volumes sélectivement sous vide des troisième (4) et seconde (10) enceintes, les barrières (40) de vide étant disposées dans au moins une portion (23) tubulaire formant une jonction entre la troisième (4) et la seconde (10) enceintes.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la tête froide (19, 7) du ou des cryo-refroidisseur (1 , 18) est associée à un échangeur de chaleur (17) formant un condenseur pour le fluide de travail.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tête (19) froide du cryo-refroidisseur (18) principal est reliée au réservoir (9) via deux conduites (30, 31 ) dont les extrémités amont sont raccordée à un volume (21 ) hermétique disposé sous la tête froide du cryo-refroidisseur (18) principal, les extrémités aval des conduites (30, 31 ) étant reliées à une extrémité supérieure du réservoir (9) via une portion verticale ou sensiblement verticale.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la tête (7) froide du cryo-refroidisseur (1 ) secondaire est relié au réservoir (9) via deux conduites (130, 131 ) dont les extrémités amont sont raccordée à un volume (121 ) hermétique disposé sous la tête froide (7) du cryo-refroidisseur (1 ) secondaire et les extrémités aval sont reliées à une extrémité supérieure du réservoir (9) via une portion verticale ou sensiblement verticale.
10. Procédé de refroidissement à basse température d'un organe (8) via un dispositif de refroidissement cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le cryo-refroidisseur (18) principal est utilisé pour refroidir l'organe (8), la première enceinte (16) et la seconde (10) enceinte étant mises sous vide et en ce que le cryo-refroidisseur (1 ) secondaire est sélectivement mis à l'arrêt ou en fonctionnement pendant que le cryo-refroidisseur (18) principal est en fonctionnement.
1 1 . Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le cryo- refroidisseur (18) principal est mis à l'arrêt et en ce que, simultanément ou de façon anticipée, le cryo-refroidisseur (1 ) secondaire est démarré pour assurer le refroidissement de l'organe (8), la troisième enceinte (4) étant mise sous vide ou maintenue sous vide.
12. Procédé selon la revendication 10 ou 1 1 , caractérisé en ce que, lors de la mise à l'arrêt d'un cryo-refroidisseur (18, 1 ), la tête froide (19, 7) du cryo- refroidisseur (18, 1 ) mis à l'arrêt est réchauffée jusqu'à une température ambiante via l'une au moins des étapes suivantes :
- par réchauffement naturel spontané,
- par un réchauffement actif commandé,
- par circulation forcée de gaz à température ambiante dans l'enceinte du cryo-refroidisseur (18, 1 ) ou autour des échangeurs (17) via un tube bobiné ou tout autre dispositif.
- par mise à la pression atmosphérique le volume de l'enceinte cryo- refroidisseur (18, 1 ).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réparation ou de maintenance de l'un des deux cryo-refroidisseurs (18, 1 ) tandis que l'autre cryo- refroidisseur (1 , 18) est en fonctionnement et assure le refroidissement de l'organe (8), le procédé comprenant :
- un arrêt ou un maintien de l'arrêt du fonctionnement du cryo-refroidisseur (18, 1 ) destiné à subir une réparation ou de maintenance,
- un maintien à une température ambiante ou une mise à une température ambiante du cryo-refroidisseur (18, 1 ) destiné à subir une réparation ou de maintenance,
- une ouverture de l'enceinte (16, 4) contenant du cryo-refroidisseur (18, 1 ) destiné à subir une réparation ou de maintenance,
- le démontage du cryo-refroidisseur (18, 1 ) destiné à subir une réparation ou de maintenance en vue de son remplacement ou de sa réparation sans relié à l'atmosphère le volume (21 , 121 ) hermétique,
- un maintien du vide au sein de l'enceinte de l'autre cryo-refroidisseurs (1 , 18) en fonctionnement ainsi que dans la seconde (10) enceinte.
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