EP3414498A1 - Dispositif de réfrigération cryogénique - Google Patents

Dispositif de réfrigération cryogénique

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EP3414498A1
EP3414498A1 EP17706538.0A EP17706538A EP3414498A1 EP 3414498 A1 EP3414498 A1 EP 3414498A1 EP 17706538 A EP17706538 A EP 17706538A EP 3414498 A1 EP3414498 A1 EP 3414498A1
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un circuit de travail destiné à refroidir un fluide de travail circulant dans ledit circuit, le circuit de travail comprenant, disposés en série au sein d'une boucle: une portion de compression (3), une portion (5, 6, 22, 23, 24, 26, 27) de refroidissement, une portion à vanne(s) (9), une portion de détente (10, 25, 28) et une portion de réchauffement, pour soumettre le fluide de travail à une cycle de travail de type récupératif comprenant une compression puis un refroidissement puis une détente puis un réchauffement en vue d'un nouveau cycle, dans lequel, la portion de compression comprend au moins un compresseur (3, 20, 21) à piston linéaire entraîné par un moteur (1) linéaire, la portion de détente comprend au moins un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire, la portion à vanne(s) comprend au moins une vanne (9) de régulation de type linéaire actionnée par un moteur linéaire et pilotée pour alimenter ou extraire le fluide de travail du au moins un détendeur à piston.

Description

Dispositif de réfrigération cryogénique
L'invention concerne un dispositif de réfrigération cryogénique.
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un circuit de travail destiné à refroidir un fluide de travail circulant dans ledit circuit, le circuit de travail comprenant, disposés en série au sein d'une boucle: une portion de compression, une portion de refroidissement, une portion à vanne(s), une portion de détente et une portion de réchauffement, pour soumettre le fluide de travail à une cycle de travail de type récupératif comprenant une compression puis un refroidissement puis une détente puis un réchauffement en vue d'un nouveau cycle.
L'invention concerne également un liquéfacteur de gaz cryogénique comprenant un tel dispositif de réfrigération.
Un souci pour l'amélioration constante des réfrigérateurs ou liquéfacteurs cryogéniques existants vise à augmenter leur durée de vie, diminuer la température minimale de fonctionnement, augmenter leur fiabilité. En particulier, il est particulièrement avantageux de supprimer les opérations de maintenance et de supprimer l'utilisation d'huiles.
Une première solution connue consiste à utiliser un cycle thermodynamique régénératif de type Stirling ou Puise-Tube. Les inconvénients de ces solutions régénératives sont les suivants : Ces dispositifs ont de faibles performances à des températures inférieures à 30K. Ceci est lié à la faible capacité thermique des matériaux constituant le régénérateur à ce niveau de température. De plus, dans ces solutions, il est relativement difficile de lier thermiquement le réfrigérateur au système à refroidir ainsi qu'au système d'évacuation de la chaleur.
Une autre solution consiste à utiliser un cycle thermodynamique récupératif de type Brayton inversé basé sur un compresseur lubrifié à vis, un échangeur à contre courant à plaques et une turbine de détente centripète. Cette solution a cependant pour inconvénient d'utiliser de l'huile pour refroidir et lubrifier le compresseur. Ce qui impose une opération de déshuilage du gaz de cycle après compression. De plus, la durée de vie de ce type de système est relativement courte du fait de la technologie de compression employée ainsi que du fait des fuites au niveau du compresseur. Cette technologie présente en outre des difficultés pour détendre un fluide diphasique et l'efficacité énergétique n'est pas optimale.
Encore une autre solution consiste à utiliser un cycle thermodynamique récupératif du type Turbo-Brayton inversé basé sur des compresseurs centrifuges secs, un échangeur à contre courant à plaques et une turbine de détente centripète (cf. FR2924205A1 ). Cette solution est cependant peu adaptée aux faibles puissances thermiques du fait de la difficulté de miniaturiser les turbomachines utilisées.
De plus, le taux de compression réalisable par étage de compression centrifuge est relativement faible du fait de la faible masse molaire des gaz utilisables à température cryogénique. Le coût de fabrication de telles turbomachines est par ailleurs relativement élevé et les machines centripète utilisées sont mal adaptée pour détendre un fluide diphasique.
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 la portion de compression comprend au moins un compresseur à piston linéaire entraîné par un moteur linéaire, la portion de détente comprend au moins un détenteur à piston linéaire, la portion à vanne(s) comprend au moins une vanne de régulation de type linéaire actionnée par un moteur linéaire et pilotée pour alimenter ou extraire le fluide de travail du au moins un détendeur à piston.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le dispositif comprend au moins un détenteur à piston linéaire accouplé au moteur linéaire qui entraîne au moins un compresseur à piston linéaire, c'est-à- dire qu'au moins un moteur linéaire accouple à la fois un détenteur à piston linéaire et un compresseur à piston linéaire,
- le dispositif comprend au moins une vanne de régulation de type linéaire accouplé au moteur linéaire qui entraîne au moins un compresseur à piston linéaire, c'est-à-dire qu'au moins un moteur linéaire accouple à la fois un compresseur à piston linéaire et une vanne de régulation de type linéaire, - le dispositif comprend au moins un détenteur à piston linéaire accouplé à un alternateur linéaire distinct du moteur du au moins un compresseur, c'est à dire qu'au moins un alternateur linéaire accouple un détenteur à piston linéaire ledit alternateur,
- le fluide de travail est refroidi jusqu'à une température comprise entre 4K et 200 K,
- la portion de compression du circuit de travail comprend plusieurs compresseurs à piston linéaire,
- la portion de détente du circuit de travail comprend plusieurs détenteurs à piston linéaire associés chacun à une vanne (9) de régulation de type linéaire respective,
- le circuit de travail comprend une conduite haute pression reliant une sortie à haute pression d'un compresseur à l'entrée d'un détendeur, ladite conduite à haute pression comprenant un système de clapet anti-retour, au moins un échangeur de chaleur de refroidissement du gaz comprimé, et une vanne de régulation de type linéaire,
- le circuit de travail comprend une conduite basse pression reliant une sortie d'un détendeur à l'entrée d'un compresseur, ladite conduite basse pression comprenant, une vanne de régulation de type linéaire, au moins un échangeur de chaleur réchauffement du gaz détendu et un système de clapet anti-retour,
- le au moins un échangeur de chaleur comprend un échangeur de chaleur à contre-courant mettant en échange thermique le fluide de travail circulant dans les conduite haute et basse pression,
- le au moins un échangeur de chaleur met en échange thermique le fluide de travail avec au moins un fluide parmi : de l'eau, de l'air, de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, du méthane, du néon , de l'oxygène ou de l'argon,
- la au moins une vanne de régulation de type linéaire est actionnée par son moteur linéaire à la même fréquence que la fréquence de fonctionnement du détendeur à piston linéaire pour lequel la vanne commande la fourniture ou le retrait de fluide de travail mais de façon déphasée par rapport à l'actionnement du détendeur à piston,
- le dispositif comprend deux compresseurs à piston linéaire disposés en série, le circuit de travail comprenant une première conduite haute pression reliant une sortie à haute pression d'un premier compresseur à l'entrée d'un second compresseur via un système de clapet anti-retour et une seconde conduite haute pression reliant une sortie à haute pression du second compresseur à l'entrée du premier compresseur via au moins un échangeur de chaleur en échange thermique avec le fluide de travail, un système de clapet(s) anti-retour, au moins une et de préférence deux vannes de régulation de type linéaire et au moins un et de préférence deux détendeurs à piston linéaire, la au moins une vanne de régulation étant pilotée pour transférer du fluide issu des compresseurs et ayant échangé thermiquement avec le au moins un échangeur de chaleur vers le au moins un détendeur puis pour transférer le fluide détendu issu du au moins un détendeur dans les compresseurs avec un échange thermique intermédiaire avec au moins un échangeur de chaleur,
- le circuit de travail comprend un séparateur de phase disposé en aval d'au moins une vanne de régulation pour liquéfier au moins une partie du fluide de travail à la sortie d'un détendeur et séparer la phase liquide de la phase gazeuse de ce dernier,
- le circuit de travail comprend une conduite de prélèvement de fluide de travail liquéfié et une conduite de fourniture de fluide de travail au circuit sous forme gazeuse,
- le circuit de travail soumet le fluide de travail à un cycle thermodynamique choisi parmi : un cycle de Brayton, un cycle Joule-Thomson, un cycle Claude,
- le circuit de travail est fermé (ou, respectivement ouvert), c'est-à-dire que le fluide de travail n'est pas (ou, respectivement est), soutiré du circuit,
- le fluide de travail circule toujours dans le même sens dans le circuit de travail, c'est-à-dire que le fluide de travail ne réalise pas d'aller/retour dans une même conduite du circuit entre deux organes de circuit de travail,
- le réfrigérateur transfère de la chaleur de l'organe utilisateur (source froide) vers une source chaude (organe à température plus élevée que la source froide),
- le au moins un moteur linéaire est du type à palier flexible ou palier à gaz ou paliers magnétiques,
- le au moins un compresseur à piston linéaire est du type « sec » c'est-à- dire ne mettant pas en contact le fluide de travail avec de l'huile de lubrification, - le au moins un détendeur à piston linéaire est du type « sec » c'est-à-dire ne mettant pas en contact le fluide de travail avec de l'huile de lubrification,
- la au moins une vanne est du type « sèche » c'est-à-dire ne mettant pas en contact le fluide de travail avec de l'huile de lubrification,
- le fluide de travail comprend l'un au moins parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote, du méthane, du néon, de l'oxygène ou de l'argon,
- la au moins une vanne de régulation forme un détendeur à piston, notamment pour fluide de travail gazeux, liquide ou diphasique,
- le au moins un détenteur à piston linéaire accouplé au moteur linéaire d'un compresseur à piston linéaire est configuré pour transférer du travail mécanique de détente du fluide de travail du détendeur vers le compresseur via un arbre moteur dudit moteur,
- au moins une dérivation est prévue dans le circuit de travail pour détendre une partie du fluide de travail dans un détendeur parmi plusieurs détendeurs, - tout ou une partie du fluide de travail détendu dans un des détendeurs peut être renvoyé vers le ou les compresseurs via une conduite de retour reliée à un niveau intermédiaire déterminée de la conduite basse pression.
.L'invention présente de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur notamment :
- en comparaison avec un cycle régénératif (du type puise-tube dans lequel le fluide de travail fait des aller-retour entre un compresseur et un régénérateur), le dispositif selon l'invention qui utilise un cycle récupératif (le circuit de travail forme une boucle de structure différente dans laquelle le fluide de travail circule toujours dans le même sens) permet d'atteindre des températures très basses, typiquement 4 K, l'utilisation d'un compresseur à piston(s) permet d'atteindre des taux de compression importants notamment jusqu'à dix par étage de compression. En comparaison avec un cycle utilisant des compresseurs centrifuges, cette caractéristique permet de réduire le débit du cycle ainsi que d'augmenter le rendement du cycle, compte tenu du faible nombre de pièces mobiles et de la simplicité du système, le réfrigérateur a une grande fiabilité. Le compresseur ne nécessite pas de transmission de puissance mécanique: multiplicateur de vitesse, joints de cardan,
le dispositif nécessite peu ou pas de maintenance,
la durée de vie d'un tel dispositif est typiquement de plusieurs dizaines d'années,
le cycle récupératif selon l'invention permet de lier facilement le réfrigérateur au système à refroidir, par exemple via un échangeur à plaques ainsi qu'au système d'évacuation de la chaleur, par exemple via un échangeur tubes/calandre,
- le cycle récupératif selon l'invention permet de déporter le système à refroidir des machines de compression/détente ainsi que le système d'évacuation de la chaleur des machines de compression/détente via des tubes,
la modularité du dispositif permet de l'adapter à une multitude de besoins différents. Il est par exemple possible d'extraire de la chaleur à plusieurs niveaux de températures,
l'absence d'huile dans le dispositif permet de la connecter directement avec un système à refroidir qui ne tolérerait pas ce type de pollution, avantageusement le réfrigérateur n'utilise pas d'huile pour la lubrification ou le refroidissement. Ceci supprime l'installation de déshuilage en aval du compresseur, ainsi que les opérations de traitement et de recyclage des huiles usagées,
le travail de détente du détendeur à piston peut être valorisé et utilisé par le compresseur,
- le dispositif peut être dépourvu de joints tournants ou glissants, le système est alors totalement hermétique vis à vis de l'extérieur. Ceci empêche toute perte ou pollution du gaz de cycle,
le dispositif permet de détendre un fluide diphasique et de remplacer par exemple sur un cycle Joules Thomson ou Claude, le détendeur Joules Thomson par un détendeur avec récupération de travail, contrairement aux détendeurs à piston existants utilisant des systèmes mécaniques complexe et nécessitant de la lubrification et de la maintenance pour actionner les vannes du détendeur, le dispositif utilise un mécanisme plus simple et dont la durée de vie est typiquement de plusieurs dizaines d'années,
L'invention concerne également un procédé de réfrigération d'un organe utilisateur au moyen d'un tel dispositif de réfrigération cryogénique dans lequel le fluide de travail refroidi est mis en échange thermique avec ledit organe utilisateur.
L'invention concerne également un liquéfacteur ou procédé de liquéfaction comprenant ou utilisant un tel dispositif de réfrigération.
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 aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
- la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant un autre exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de liquéfaction selon l'invention.
L'exemple de réalisation non limitatif illustré à la figure 1 est un réfrigérateur cryogénique, par exemple ayant une température froide de 77k, capable de liquéfier de l'azote à saturation.
Le dispositif 100 de réfrigération a de préférence pour but de transférer de la chaleur d'une source froide 13 à basse température (via un échange thermique avec un organe ou utilisateur 7 à refroidir) vers une source chaude 15 à plus haute température (par exemple via un échange thermique avec un organe 5 de refroidissement).
Comme illustré à la figure 1 , le dispositif comprend un circuit de travail pour un fluide de travail (par exemple de l'hélium). Le circuit de travail forme une boucle dans laquelle le fluide de travail circule dans un seul sens en étant soumis à un cycle thermodynamique de type récupératif.
Le dispositif peut comporter tout ou partie des composants ci-dessous décrits.
Le dispositif comprend un ou plusieurs moteurs linéaires 1 utilisant de préférence des paliers 2 flexibles (ou gaz ou à faible frottement ou magnétiques). Les paliers représentés à titre d'exemple sur la figure 1 sont du type paliers flexibles.
Le circuit comprend un ou plusieurs compresseurs 3 à pistons disposés en série fonctionnant préférentiellement à température ambiante et entraînés par le ou les moteurs 1 linéaires. Le compresseur à piston est notamment un compresseur à piston à déplacement linéaire entraîné par un moteur 1 . Le piston est accouplé à un arbre déplacé en translation selon un mouvement alternatif via un moteur, par exemple un moteur électromagnétique dont le mouvement alternatif de translation de l'arbre solidaire du piston est entraîné par un système de bobines magnétiques (coopérant avec des aimants solidaires de l'arbre ou solidaire d'un stator).
Ces compresseurs 3 à piston(s) utilisent par exemple des clapets antiretour 4 et 14 pour communiquer avec des conduites 12 haute pression (pour refouler du fluide compressé) et basse pression 1 1 (pour accueillir du fluide détendu en vue de le re-comprimer). Plusieurs technologies de clapets anti-retour sont envisageables, par exemple des clapets à lames. Bien entendu tout autre type d'organe permettant d'empêcher le retour du fluide comprimé en sens inverse dans le circuit peut être envisagé.
Le circuit de travail comprend un ou plusieurs échangeurs 5 prévus pour évacuer de la chaleur du gaz comprimé vers une source chaude et disposés à la sortie du ou des compresseurs 3. Cet échangeur de refroidissement met par exemple le fluide de travail en échange thermique avec un fluide 15 caloporteur de refroidissement.
Ensuite, (en aval dans le sens de circulation du fluide de travail dans le circuit sur la conduite 12 haute pression) au moins un changeur 6 de chaleur à contre-courant est prévu. Cet échangeur 6 de chaleur peut séparer les éléments relativement à haute température des éléments à relativement basse température 6 du circuit.
Le circuit comprend en suite au moins une vannes 9 fonctionnant à basse température (c'est-à-dire entre 4 et 200K). Cette vanne 9 est prévue pour alimenter et extraire le gaz d'un détendeur 10 à piston situé en aval.
Cette vanne 9 peut être actionnée par un moteur linéaire 8 de technologie équivalente à la technologie du moteur 1 du compresseur. Cette vanne 9 peut être accouplée indifféremment au moteur 1 du compresseur 3 ou à un moteur distinct. De même, le détendeur 10 peut être accouplé indifféremment au moteur 1 du compresseur ou au moteur 8 de la vanne
9 ou à un alternateur distinct (cet alternateur linéaire peut être de technologie équivalente à la technologie du moteur 1 décrit ci-dessus Cet alternateur a par exemple une structure du même type que le ou les moteurs du compresseur mais utilisé dans un mode alternateur : c'est-à-dire que le piston est déplacé par le fluide et produit de l'énergie).
Cette vanne 9 est actionnée de préférence à la même fréquence que le détendeur 10, cependant, son mouvement est déphasé par rapport au détendeur
10 de façon à maximiser le rendement du détendeur 10.
Le ou les détendeurs à piston 10 fonctionnent à basse température et peuvent ou non être liés mécaniquement au moteur 1 du compresseur.
Le gaz détendu par le détendeur 10 est renvoyé vers le compresseur 3 via une conduite basse pression 1 1 (au travers de la vanne 9). Un ou plusieurs échangeurs 7 de chaleurs sont prévus pour réchauffer le fluide de travail et ainsi extraire de la chaleur à la source froide 13. Le fluide détendu passe en particulier dans l'échangeur 6 à contre-courant avant de revenir dans le compresseur 3 (via le clapet 4 correspondant).
Le fonctionnent de ce réfrigérateur 100 peut être le suivant. Le gaz de travail (hélium dans cet exemple) en phase gazeuse (par exemple à 20°C) est comprimé au travers du compresseur à piston 3 d'une pression basse (par exemple 10 bar) jusqu'à une pression haute (par exemple de 18 bar).
Les clapets anti-retour 4, 14 sont utilisés pour faire communiquer alternativement la chambre de compression du compresseur avec la conduite basse pression 1 1 et la conduite haute pression 12.
L'hélium est réchauffé à la sortie du compresseur (par exemple à 1 10°C). L'hélium est ensuite refroidi au travers d'un premier échangeur 5 à l'aide d'un débit d'eau 15 (ou tout autre agent refroidissant approprié). La température de l'hélium est ramenée à 25°C.
L'hélium passe ensuite au travers de l'échangeur à contre courant 6, sa température est abaissée, par exemple à 79K. En aval, la vanne 9 de régulation est utilisée pour faire communiquer alternativement la chambre de détente du détendeur 10 avec la conduite basse pression 1 1 et la conduite haute pression 12.
L'hélium passe au travers du détendeur à piston 10, sa température chute (par exemple à 67 K). Ce détendeur 10 à piston est notamment configuré pour fonctionner avec un fluide diphasique ou liquide.
Lorsque le détendeur est accouplé au moteur du compresseur, le travail de détente du détendeur 10 peut être transféré via l'arbre commun du moteur linéaire 1 au compresseur 3.
L'hélium passe ensuite au travers de l'échangeur 7 de réchauffage où il refroidit l'organe 13 utilisateur de froid (de l'azote dans cet exemple). L'azote gazeux 13 refroidi est par exemple liquéfié à saturation en lui extrayant de la chaleur.
La température de l'hélium est par exemple amenée à 76 K.
L'hélium passe ensuite à nouveau au travers de l'échangeur à contre courant 6 où il est réchauffé (par exemple à 20°C).
L'hélium retourne ensuite dans le compresseur 3 pour effectuer un nouveau cycle identique via le clapet 4.
La figure 2 illustre un autre exemple de réalisation de l'invention. Cet exemple représente un liquéfacteur de gaz, notamment d'hydrogène. Ce liquéfacteur utilise les mêmes éléments principaux que ceux décrits ci-dessus.
Le gaz de travail (hydrogène) par exemple à 20°C (en phase gazeuse) est comprimé dans deux compresseurs à piston 20 et 21 disposés en série.
A la sortie de chaque compresseur 20, 21 , (via une conduite haute pression et un clapet 14), le gaz est refroidi par un échangeur de chaleur 22, 23. Cet hydrogène est ensuite refroidi au travers d'un premier échangeur 24 de chaleur à contre courant.
Une partie du débit de gaz refroidi peut être admis à passer, via une dérivation 15 comprenant une première vanne 9 linéaire, au travers d'un premier détendeur à piston 25 de manière à extraire de la chaleur à l'hydrogène.
Comme précédemment, ce premier détendeur 25 à piston peut être lié au premier compresseur 20 via un moteur linéaire (non représenté par soucis de simplification mais pouvant être du même type que celui décrit ci-dessus). De même, le premier détendeur peut être accouplé à un moteur (alternateur) distinct). La première vanne 9 de contrôle en amont du premier détendeur 25 est actionnée de préférence via un moteur linéaire (non représenté par soucis de simplification mais pouvant être du même type que celui décrit ci-dessus).
L'hydrogène (détendu ou non) peut être refroidi ensuite au travers d'un second échangeur à contre courant 26, et le cas échéant au travers d'un troisième échangeur à contre courant 27. Cet hydrogène détendu dans le premier détendeur 25 peut être renvoyé directement vers le premier compresseur 20 (via le ou les échangeurs de chaleur 24, 26 à contre-courant. C'est-à-dire que l'hydrogène détendu dans le premier détendeur 25 peut être renvoyé vers les compresseurs sans subir une seconde détente ou refroidissement.
En aval de la dérivation 15, l'hydrogène restant est ensuite détendu dans un second détendeur linéaire 28 (via une vanne 9 de contrôle linéaire). Le second détendeur 28 est de préférence du type à piston diphasique pour extraire de la chaleur à l'hydrogène en vue de le liquéfier en partie. Ce second détendeur 28 à piston peut être lié mécaniquement (accouplé) au second compresseur 21 (via un moteur linéaire non représenté par soucis de simplification comme précédemment) ou à un alternateur distinct.
La seconde vanne 9 de contrôle située en amont du second détendeur 28 peut également être actionnée par un moteur linéaire (non représenté par soucis de simplification).
Les vannes 9 de contrôle commandant la circulation du fluide entre les détendeurs 25, 28 et les compresseurs 20 peuvent le cas échéant être actionnées par un seul et même actionneur commun.
Le mélange diphasique obtenu après passage dans le second détendeur 28 peut être ensuite envoyé vers un séparateur 29 cryogénique. La phase gazeuse de l'hydrogène est retournée vers le premier compresseur 20 au travers des échangeurs 27, 26, 24 à contre-courant.
La phase liquide produite peut être envoyée vers un utilisateur final au travers d'une conduite 30 prévue à cet effet. Le circuit peut comporter une entrée 31 d'alimentation en fluide de travail (par exemple en amont du premier compresseur 20) pour compenser le prélèvement de liquide. Bien entendu, le fluide de travail utilisé peut être tout autre fluide que l'hélium ou l'hydrogène, par exemple de l'azote, du méthane, du néon, de l'oxygène ou de l'argon.
Le circuit de travail peut ainsi être de type ouvert ou fermé.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de cycles et circuits illustrés aux figures 1 et 2. Ainsi, Il est possible d'envisager une multitude d'architectures différentes basées par exemple sur les cycles de Brayton, Joules Thomson ou Claude notamment.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un circuit de travail destiné à refroidir un fluide de travail circulant dans ledit circuit, le circuit de travail comprenant, disposés en série au sein d'une boucle: une portion de compression (3), une portion (5, 6, 22, 23, 24, 26, 27) de refroidissement, une portion à vanne(s) (9), une portion de détente (10, 25, 28) et une portion de réchauffement, pour soumettre le fluide de travail à une cycle de travail de type récupératif comprenant une compression puis un refroidissement puis une détente puis un réchauffement en vue d'un nouveau cycle, dans lequel, la portion de compression comprend au moins un compresseur (3, 20, 21 ) à piston linéaire entraîné par un moteur (1 ) linéaire, la portion de détente comprend au moins un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire, la portion à vanne(s) comprend au moins une vanne (9) de régulation de type linéaire actionnée par un moteur linéaire et pilotée pour alimenter ou extraire le fluide de travail du au moins un détendeur à piston.
2. Dispositif de réfrigération selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire accouplé au moteur (1 ) linéaire qui entraîne au moins un compresseur (3, 20, 21 ) à piston linéaire, c'est-à-dire qu'au moins un moteur (1 ) linéaire accouple à la fois un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire et un compresseur (3, 20, 21 ) à piston linéaire.
3. Dispositif de réfrigération selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une vanne (9) de régulation de type linéaire accouplé au moteur (1 ) linéaire qui entraîne au moins un compresseur (3, 20,
21 ) à piston linéaire, c'est-à-dire qu'au moins un moteur (1 ) linéaire accouple à la fois un compresseur (3, 20, 21 ) à piston linéaire et une vanne (9) de régulation de type linéaire.
4. Dispositif de réfrigération l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire accouplé à un alternateur linéaire distinct du moteur du au moins un compresseur, c'est à dire qu'au moins un alternateur linéaire accouple un détenteur (10, 25, 28) à piston linéaire ledit alternateur.
5. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé en ce que le fluide de travail est refroidi jusqu'à une température comprise entre 4K et 200 K .
6. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion de compression (3) du circuit de travail comprend plusieurs compresseurs (3, 20, 21 ) à piston linéaire.
7. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 , caractérisé en ce que la portion de détente (10, 25, 28) du circuit de travail comprend plusieurs détenteurs (10, 25, 28) à piston linéaire associés chacun à une vanne (9) de régulation de type linéaire respective.
8. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 , caractérisé en ce que le circuit de travail comprend une conduite (1 1 ) haute pression reliant une sortie à haute pression d'un compresseur (3) à l'entrée d'un détendeur (10), ladite conduite (1 1 ) à haute pression comprenant un système de clapet (4) anti-retour, au moins un échangeur (5,
6) de chaleur de refroidissement du gaz comprimé, et une vanne (9) de régulation de type linéaire.
9. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 , caractérisé en ce que le circuit de travail comprend une conduite (12) basse pression reliant une sortie d'un détendeur (10) à l'entrée d'un compresseur (3), ladite conduite (12) basse pression comprenant, une vanne (9) de régulation de type linéaire, au moins un échangeur (7, 6) de chaleur réchauffement du gaz détendu et un système de clapet (14) anti-retour.
10. Dispositif de réfrigération selon les revendications 8 et 9 prises en combinaison, caractérisé en ce que le au moins un échangeur de chaleur comprend un échangeur (7) de chaleur à contre-courant mettant en échange thermique le fluide de travail circulant dans les conduite (1 1 , 12) haute et basse pression.
1 1 .Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le au moins un échangeur de chaleur (5, 7) met en échange thermique le fluide de travail avec au moins un fluide parmi : de l'eau, de l'air, de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, du méthane, du néon , de l'oxygène ou de l'argon .
12. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que la au moins une vanne (9) de régulation de type linéaire est actionnée par son moteur linéaire à la même fréquence que la fréquence de fonctionnement du détendeur (10) à piston linéaire pour lequel la vanne (9) commande la fourniture ou le retrait de fluide de travail mais de façon déphasée par rapport à l'actionnement du détendeur (10) à piston.
13. Dispositif de réfrigération selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend deux compresseurs (20, 21 ) à piston linéaire disposés en série, le circuit de travail comprenant une première conduite (1 1 1 ) haute pression reliant une sortie à haute pression d'un premier compresseur (20) à l'entrée d'un second compresseur (21 ) via un système de clapet (14) anti-retour et une seconde conduite (1 1 ) haute pression reliant une sortie à haute pression du second compresseur (21 ) à l'entrée du premier compresseur (20) via au moins un échangeur (24, 26, 27) de chaleur en échange thermique avec le fluide de travail, un système de clapet(s) (14, 4) anti-retour, au moins une et de préférence deux vannes (9) de régulation de type linéaire et au moins un et de préférence deux détendeurs (25, 28) à piston linéaire, la au moins une vanne (9) de régulation étant pilotée pour transférer du fluide issu des compresseurs (20, 21 ) et ayant échangé thermiquement avec le au moins un échangeur (24, 26, 27) de chaleur vers le au moins un détendeur (25, 28) puis pour transférer le fluide détendu issu du au moins un détendeur (25, 28) dans les compresseurs (20, 21 ) avec un échange thermique intermédiaire avec au moins un échangeur (24, 26, 27) de chaleur.
14. Dispositif de réfrigération selon la revendication 13, caractérisé en ce que le circuit de travail comprend un séparateur (29) de phase disposé en aval d'au moins une vanne (9) de régulation pour liquéfier au moins une partie du fluide de travail à la sortie d'un détendeur (25, 28) et séparer la phase liquide de la phase gazeuse de ce dernier.
15. Dispositif de réfrigération selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit de travail comprend une conduite (30) de prélèvement de fluide de travail liquéfié et une conduite (31 ) de fourniture de fluide de travail au circuit sous forme gazeuse.
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