EP3414498B1 - Dispositif de réfrigération cryogénique - Google Patents

Dispositif de réfrigération cryogénique Download PDF

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EP3414498B1
EP3414498B1 EP17706538.0A EP17706538A EP3414498B1 EP 3414498 B1 EP3414498 B1 EP 3414498B1 EP 17706538 A EP17706538 A EP 17706538A EP 3414498 B1 EP3414498 B1 EP 3414498B1
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refrigeration device
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream

Definitions

  • the invention relates to a cryogenic refrigeration device.
  • a concern for the constant improvement of existing cryogenic refrigerators or liquefiers aims to increase their lifespan, decrease the minimum operating temperature, increase their reliability. In particular, it is particularly advantageous to eliminate maintenance operations and to eliminate the use of oils.
  • a first known solution consists in using a regenerative thermodynamic cycle of the Stirling or Pulse-Tube type.
  • the disadvantages of these regenerative solutions are as follows: These devices have poor performance at temperatures below 30K. This is linked to the low thermal capacity of the materials constituting the regenerator at this temperature level. In addition, in these solutions, it is relatively difficult to thermally link the refrigerator to the system to be cooled as well as to the heat removal system.
  • Another solution consists in using a recuperative thermodynamic cycle of the inverted Brayton type based on a lubricated screw compressor, a counter-current plate exchanger and a centripetal expansion turbine.
  • this solution has the disadvantage of using oil to cool and lubricate the compressor. This requires an operation of oil removal of the cycle gas after compression.
  • the service life of this type of system is relatively short due to the compression technology employed as well as due to leaks at the compressor. This technology also has difficulties in relaxing a two-phase fluid and the energy efficiency is not optimal.
  • Yet another solution consists in using a recuperative thermodynamic cycle of the reverse Turbo-Brayton type based on dry centrifugal compressors, a counter-current plate exchanger and a centripetal expansion turbine (cf. FR2924205A1 ). This solution is however not very suitable for low thermal powers because of the difficulty of miniaturizing the turbomachines used.
  • a cryogenic refrigeration device comprising a working circuit intended to cool a working fluid circulating in said circuit, the working circuit comprising, arranged in series: a compression portion, a cooling portion, an expansion portion and a portion reheating, to subject the working fluid to a recuperative type working cycle comprising compression then cooling then expansion then reheating for a new cycle, in which the compression portion comprises at least one compressor linear piston driven by a linear motor, the expansion portion comprises at least one linear piston holder.
  • the compression ratio achievable by centrifugal compression stage is relatively low due to the low molar mass of the gases usable at cryogenic temperature.
  • the manufacturing cost of such turbomachines is also relatively high and the centripetal machines used are ill-suited to relax a two-phase fluid.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is defined by claim 1.
  • the compression portion comprises at least one linear piston compressor driven by a linear motor
  • the expansion portion comprises at least one linear piston holder
  • the valve portion (s) comprises at least one linear type control valve actuated by a linear motor and controlled to supply or extract the working fluid from the at least one piston regulator.
  • the nonlimiting exemplary embodiment illustrated in figure 1 is a cryogenic refrigerator, for example having a cold temperature of 77k, capable of liquefying nitrogen at saturation.
  • the purpose of the refrigeration device 100 is preferably to transfer heat from a cold source 13 at low temperature (via a heat exchange with an organ or user 7 to be cooled) to a hot source 15 at higher temperature (for example via a heat exchange with a cooling member 5).
  • the device comprises a working circuit for a working fluid (for example helium).
  • the working circuit forms a loop in which the working fluid circulates in one direction while being subjected to a thermodynamic cycle of the recuperative type.
  • the device may include all or part of the components described below.
  • the device comprises one or more linear motors 1 preferably using flexible bearings 2 (or gas or low friction or magnetic).
  • the bearings shown as an example on the figure 1 are of the flexible bearing type.
  • compressors 3 with piston (s) use for example non-return valves 4 and 14 to communicate with lines 12 high pressure (to discharge compressed fluid) and low pressure 11 (to accommodate expanded fluid in order to return it compress).
  • non-return valves 4 and 14 to communicate with lines 12 high pressure (to discharge compressed fluid) and low pressure 11 (to accommodate expanded fluid in order to return it compress).
  • check valve technologies can be envisaged, for example reed valves.
  • any other type of member making it possible to prevent the return of the compressed fluid in the opposite direction in the circuit can be envisaged.
  • the working circuit comprises one or more exchangers 5 provided for removing heat from the compressed gas towards a hot source and arranged at the outlet of the compressor (s) 3.
  • This cooling exchanger puts the working fluid, for example, in heat exchange with a coolant 15.
  • At least one counter-current heat exchanger 6 is provided downstream in the direction of circulation of the working fluid in the circuit on the high pressure line 12.
  • This heat exchanger 6 can separate the relatively high temperature elements from the relatively low temperature elements 6 of the circuit.
  • the circuit then comprises at least one valve 9 operating at low temperature (that is to say between 4 and 200K).
  • This valve 9 is designed to supply and extract the gas from a piston regulator 10 located downstream.
  • This valve 9 can be actuated by a linear motor 8 of technology equivalent to the technology of motor 1 of the compressor.
  • This valve 9 is preferably actuated at the same frequency as the regulator 10, however, its movement is out of phase with respect to the regulator 10 so as to maximize the efficiency of the regulator 10.
  • the piston or regulators 10 operate at low temperature and may or may not be mechanically linked to the motor 1 of the compressor.
  • the gas expanded by the regulator 10 is returned to the compressor 3 via a low pressure line 11 (through the valve 9).
  • One or more heat exchangers 7 are provided to heat the working fluid and thus extract heat from the cold source 13.
  • the expanded fluid passes in particular through the exchanger 6 against the current before returning to the compressor 3 ( via the corresponding valve 4).
  • the operation of this refrigerator 100 can be as follows.
  • the working gas (helium in this example) in the gas phase (for example at 20 ° C.) is compressed through the piston compressor 3 from a low pressure (for example 10 bar) to a high pressure (for example 18 bar).
  • the non-return valves 4, 14 are used to make the compression chamber of the compressor communicate alternately with the low pressure line 11 and the high pressure line 12.
  • the helium is heated at the outlet of the compressor (for example to 110 ° C).
  • the helium is then cooled through a first exchanger 5 using a water flow 15 (or any other suitable cooling agent).
  • the temperature of the helium is reduced to 25 ° C.
  • the helium then passes through the countercurrent exchanger 6, its temperature is lowered, for example to 79K. Downstream, the regulation valve 9 is used to make the expansion valve 10 communicate alternately with the low pressure line 11 and the high pressure line 12.
  • This piston regulator 10 is notably configured to operate with a two-phase or liquid fluid.
  • the expansion work from the regulator 10 can be transferred via the common shaft of the linear motor 1 to the compressor 3.
  • the helium then passes through the reheating exchanger 7 where it cools the cold user member 13 (nitrogen in this example).
  • the cooled nitrogen gas 13 is for example liquefied to saturation by extracting heat from it.
  • the temperature of helium is for example brought to 76 K.
  • the helium then passes again through the countercurrent exchanger 6 where it is heated (for example to 20 ° C).
  • the helium then returns to the compressor 3 to carry out a new identical cycle via the valve 4.
  • the figure 2 illustrates another embodiment of the invention.
  • This example represents a gas liquefier, in particular hydrogen.
  • This liquefier uses the same main elements as those described above.
  • the working gas for example at 20 ° C (in the gas phase) is compressed in two piston compressors 20 and 21 arranged in series.
  • each compressor 20, 21, (via a high pressure line and a valve 14), the gas is cooled by a heat exchanger 22, 23. This hydrogen is then cooled through a first heat exchanger 24 against a current.
  • Part of the flow of cooled gas can be allowed to pass, via a bypass 15 comprising a first linear valve 9, through a first piston regulator 25 so as to extract heat with hydrogen.
  • this first piston 25 regulator can be linked to the first compressor 20 via a linear motor (not shown for the sake of simplification but may be of the same type as that described above). Similarly, the first regulator can be coupled to a separate engine (alternator).
  • the first control valve 9 upstream of the first regulator 25 is preferably actuated via a linear motor (not shown for the sake of simplification but may be of the same type as that described above).
  • the hydrogen (expanded or otherwise) can then be cooled through a second counter-current exchanger 26, and if necessary through a third counter-current exchanger 27.
  • This hydrogen expanded in the first regulator 25 can be returned directly to the first compressor 20 (via the counter-current heat exchanger (s) 24, 26. That is to say that the hydrogen expanded in the first regulator 25 can be returned to the compressors without undergoing a second expansion or cooling.
  • the remaining hydrogen is then expanded in a second linear regulator 28 (via a valve 9 for linear control).
  • the second expander 28 is preferably of the two-phase piston type for extracting heat with hydrogen in order to partially liquefy it.
  • This second expander 28 with piston can be mechanically linked (coupled) to the second compressor 21 (via a linear motor not shown for the sake of simplification as above) or to a separate alternator.
  • the second control valve 9 located upstream of the second regulator 28 can also be actuated by a linear motor (not shown for the sake of simplification).
  • control valves 9 controlling the circulation of the fluid between the regulators 25, 28 and the compressors 20 can if necessary be actuated by a single common actuator.
  • the two-phase mixture obtained after passage through the second regulator 28 can then be sent to a cryogenic separator 29.
  • the gaseous phase of hydrogen is returned to the first compressor 20 through exchangers 27, 26, 24 against the current.
  • the working fluid used can be any other fluid than helium or hydrogen, for example nitrogen, methane, neon, oxygen or argon.
  • the working circuit can thus be of the open or closed type.

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Description

  • 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.
  • 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 Pulse-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. Le document US 2015/052887 A1 divulgue 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: une portion de compression, une portion de refroidissement, 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, dans lequel, 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.
  • 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 est défini par la revendication 1. Par ailleurs, 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 détendeur 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 détendeur à piston linéaire audit 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 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 pulse-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.
  • 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 anti-retour 4 et 14 pour communiquer avec des conduites 12 haute pression (pour refouler du fluide compressé) et basse pression 11 (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 échangeur 6 de chaleur à contre-courant est prévu. Cet échangeur 6 de chaleur peut séparer les éléments à relativement haute température des éléments à relativement basse température 6 du circuit.
  • Le circuit comprend en suite au moins une vanne 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 11 (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 fonctionnement 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 11 et la conduite haute pression 12.
  • L'hélium est réchauffé à la sortie du compresseur (par exemple à 110°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 11 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 (15)

  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 un 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 détendeur (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 détendeur (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 détendeur (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 détendeur (10, 25, 28) à piston
  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 détendeurs (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 (12) haute pression reliant une sortie à haute pression d'un compresseur (3) à l'entrée d'un détendeur (10), ladite conduite (12) 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 (11) 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 (11, 12) haute et basse pression.
  11. 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 11, 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 (111) 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 (12) 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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