EP3561411A1 - Dispositif et procede de refrigeration cryogenique - Google Patents

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EP3561411A1
EP3561411A1 EP19174805.2A EP19174805A EP3561411A1 EP 3561411 A1 EP3561411 A1 EP 3561411A1 EP 19174805 A EP19174805 A EP 19174805A EP 3561411 A1 EP3561411 A1 EP 3561411A1
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EP
European Patent Office
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fluid
compressors
expansion
turbine
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19174805.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fabien Durand
Alain Ravex
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39691274&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP3561411(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic refrigeration device and method.
  • the invention more particularly relates to a cryogenic refrigeration device for transferring heat from a cold source to a hot source via a working fluid circulating in a closed working circuit, the working circuit comprising in series: a portion of compression, a cooling portion, a detent portion and a warming portion.
  • the cold source may be, for example, liquid nitrogen to be cooled and the hot source of water or air.
  • Refrigerators known to cool superconducting elements generally use a reverse Brayton cycle. These known refrigerators use a screw-lubricated compressor, a countercurrent plate heat exchanger and an expansion turbine.
  • the document US 3494145 describes a refrigeration system using geared couplings requiring oil bearings.
  • This type of device uses rotating joints such as mechanical seals between the working gas and the gear housing and oil bearings.
  • This architecture increases the risk of leakage of the working gas and the possible pollution of the working gas by the oil.
  • This system also relates to a low speed type motor.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the invention proposes a cryogenic refrigeration device for transferring heat from a cold source to a hot source via a working fluid circulating in a closed working circuit, the working circuit comprising in series: a substantially isothermal compression portion of the fluid, a substantially isobaric cooling portion of the fluid, a substantially isothermal expansion portion of the fluid and a substantially isobaric heating portion of the fluid, the compression portion of the working circuit comprising at least two compressors arranged in series and at least one compressed fluid cooling exchanger disposed at the outlet of each compressor, the expansion portion of the working circuit comprising at least one expansion turbine and at least one expanded fluid heating exchanger, the refrigeration device using for the drive of the compressors several engines with high v itesses, that is to say rotating at a speed of rotation of 10000 revolutions per minute or several thousand revolutions per minute.
  • the compressors and the expansion turbine or turbines being driven by at least one so-called high speed motor comprising an output shaft whose one end carries and rotates, by direct coupling, a first compressor and the other end of which carries and rotates by direct coupling a second compressor or an expansion turbine.
  • the compressors are of the centrifugal compression type.
  • the expansion turbine or turbines are of the centripetal expansion type. High speed motors use magnetic or dynamic gas bearings.
  • the device comprises a number of compressors equal to three times the number of expansion turbines.
  • the embodiments make it possible to obtain a system without oil pollution and without contact. Indeed, the combination of centrifugal compressors, centripetal turbines and bearings according to the invention reduces or eliminates any contact with the fixed parts and the rotating parts. This avoids any risk of leakage.
  • the entire system is hermetically sealed and has no joints rotating with respect to the atmosphere (such as mechanical seals or "dry face seal").
  • the invention further proposes a cryogenic refrigeration method for transferring heat from a cold source to a hot source via a working fluid circulating in a closed working circuit of such a device, the working circuit comprising in series: a compression portion comprising at least two compressors arranged in series, a cooling portion of the fluid, an expansion portion comprising at least one expansion turbine, and a heating portion, the process comprising a work cycle comprising a first step of substantially isothermal compression of the fluid in the compressing portion by cooling the compressed fluid at the output of the compressors, a second substantially isobaric cooling step of the fluid in the cooling portion, a third step of substantially isothermal expansion of the fluid in the portion of relaxation by heating the expanded fluid at the outlet of the turbine ne, and a fourth step of substantially isobaric heating of the fluid having thermally exchanged with the source cold, the working cycle of the fluid (temperature T, entropy S) being of the inverse Ericsson type.
  • the refrigerator according to the invention is provided for transferring heat from a cold source 15 to a cryogenic temperature to a hot source at room temperature 1 for example.
  • the cold source 15 may be, for example, liquid nitrogen to be cooled and the hot source 1 of water or air.
  • the refrigerator shown in FIG. figure 1 uses a working circuit 200 of a working gas comprising the components listed below.
  • the circuit 200 comprises a plurality of compressors 3, 5, 7 centrifugals arranged in series and operating at ambient temperature.
  • the circuit 200 comprises a plurality of heat exchangers 2, 4, 6 operating at ambient temperature respectively disposed at the output of the compressors 3, 5, 7.
  • the working gas temperatures at the inlet and at the outlet of each compression stage (c ') that is to say at the inlet and the outlet of each compressor 3, 5, 7), are maintained by the heat exchange at a substantially identical level (see zone A on the figure 3 which represents a working cycle of the gas: temperature in K according to the entropy S in J / kg).
  • zone A on the figure 3 which represents a working cycle of the gas: temperature in K according to the entropy S in J / kg.
  • the exchangers 2, 4, 6 may be distinct or consist of distinct portions of the same exchanger in heat exchange with the hot source 1.
  • the refrigerator comprises several engines (70 cf. figure 2 ) said at high speed.
  • high speed motor is usually meant motors whose rotational speed allows direct coupling with a centrifugal compression stage or a centripetal expansion stage.
  • High speed motors 70 preferably use magnetic or dynamic gas bearings 171 ( figure 2 ).
  • a high speed motor typically rotates at a rotational speed of 10,000 rpm or several tens of thousands of revolutions per minute.
  • a low-speed motor runs rather with a speed of a few thousand revolutions per minute.
  • the refrigerator Downstream of the compression portion comprising the compressors in series, the refrigerator comprises a heat exchanger 8 preferably of plate type against the current separating the elements at room temperature (in the upper part of the circuit 200 shown in FIG. figure 1 ) cryogenic temperature elements (in the lower part of the circuit 200).
  • the fluid is cooled (corresponding to the zone D of the figure 3 ).
  • the cooling of the gas from room temperature to cryogenic temperature is carried out by countercurrent exchange with the same gas working gas at cryogenic temperature which returns from the expansion portion after heat exchange with the cold source 15.
  • the circuit Downstream of this cooling portion constituted by the exchanger 8 with plates, the circuit comprises one or more turbines 9, 11, 13 of expansion, preferably centripetal type, arranged in series.
  • the turbines 9, 11, 13 operate at cryogenic temperature
  • the inlet and outlet temperatures of each expansion stage are maintained substantially identical by one or more cryogenic heat exchangers 10, 12, 14 disposed at the exit of the turbine or turbines.
  • the downward portions of the zone C each corresponding to a relaxation stage while the rising portions of this zone correspond to the heating in the exchangers 10, 12, 14.
  • This arrangement makes it possible to approach an isothermal expansion.
  • the inlet and outlet temperatures of each flash stage are substantially the same.
  • the increase of the temperature of the working gas in the exchanger or exchangers (10, 12, 14) may be substantially identical (in absolute value) to the decrease in the temperature of the refrigerator.
  • fluid to be cooled (15) (cold source).
  • These heat exchangers 10, 12, 14 may be distinct or consist of separate portions of the same exchanger in heat exchange with the cold source 15.
  • the working fluid thermally exchanges again with the heat exchanger 8 plates (zone B of the figure 3 ).
  • the fluid thermally exchanges in the exchanger 8 against the current with respect to its passage after the portion of compression. After reheating the fluid returns to the compression portion and can start a cycle again.
  • the circuit may further comprise a working gas capacity at room temperature (not shown for the sake of simplification) to limit the pressure in the circuits, during the stopping of the refrigerator for example.
  • the refrigerator preferably uses as a working fluid a gas phase fluid circulating in a closed circuit.
  • a gas phase fluid circulating in a closed circuit.
  • This consists for example of a pure gas or a mixture of pure gas.
  • gases best suited to this technology include: helium, neon, nitrogen, oxygen and argon. Carbon monoxide and methane can also be used.
  • the refrigerator is designed and controlled so as to obtain a working cycle of the fluid approaching the reverse Ericsson cycle. That is: isothermal compression, isobaric cooling, isothermal expansion and isobaric heating.
  • the refrigerator uses for the drive at least compressors 3, 5, 7 (that is to say, for driving the wheels of the compressors) several motors 70 said to high speeds.
  • each high-speed motor 70 receives on one end of its output shaft a compressor wheel 31 and, on the other end of its shaft, another compressor wheel or a turbine wheel 9.
  • This arrangement provides numerous advantages .
  • This configuration allows in the refrigerator a direct coupling between the motor 70 and the compressor wheels 3, 5, 7 or between the motor 70 and the wheels of the turbines 9, 11, 13. This makes it possible to overcome a multiplier or speed reducer (which limits the number of moving parts required).
  • This configuration also allows a valuation of the mechanical work of the turbine or turbines 9, 11, 13 and therefore an increase in the overall energy efficiency of the refrigerator.
  • the refrigerator has an oil-free operation, which ensures the purity of the working gas and eliminates the need for a de-oiling operation.
  • the number of high speed engines is mainly a function of the desired energy efficiency for the refrigerator. The higher this efficiency, the higher the number of high speed motors.
  • the ratio between the number of compression stage (compressors) and the number of expansion stages (turbines) is a function of the target cold temperature. For example, for a refrigerator whose cold source is 273 K, the number of compression stage will be substantially equal to the number of stage of relaxation. For a refrigerator with a cold source of 65 K, the number of compression stages is approximately 3 times greater than the number of stages of expansion.
  • the figure 4 illustrates another embodiment which can for example be used to cool or maintain superconducting cables at a cryogenic temperature of about 65 K.
  • the number of compression stages compressors
  • the number of stages of relaxation turbines. This can be done according to several possible configurations. For example three compressors and a turbine or six compressors and two turbines, ...
  • the refrigerator comprises six compressors 101, 102, 103, 104, 105, 106 and two turbines 116, 111 and four high speed motors 107, 112, 114, 109.
  • the first two compressors 101, 102 i.e. the compressor wheels
  • the two following compressors 103, 104 are respectively mounted at the two ends of a second high-speed motor 112.
  • the following compressor 105 and the turbine 116 (that is to say the wheel of the turbine) are respectively mounted at both ends of a third high-speed motor 114.
  • the last turbine 111 and the sixth compressor 106 are mounted respectively at both ends of a fourth engine 109.
  • the gas is gradually compressed by passing successively in the four series compressors 101, 102, 103, 104, 105, 106.
  • each compression stage at the outlet of each compressor the working gas is cooled in a respective heat exchanger 108 (by heat exchange with air or water for example) to get closer an isothermal compression.
  • the gas is isobarically cooled through a countercurrent plate heat exchanger 103.
  • the cooling gas is progressively expanded in the two series centripetal turbines 116, 111.
  • the working gas is heated by heat exchange in an exchanger 110 (for example by heat exchange with the cold source), so as to achieve a substantially isothermal expansion.
  • the working gas is reheated in the exchanger 113 and can then start a new cycle again by compression.
  • the figure 5 represents the cycle (temperature T and entropy S) of the working fluid of the refrigerator of the figure 5 .
  • the figure 3 in the compression zone A there are six sawtooths corresponding to the six successive compressions and coolings.
  • zone C of relaxation we recognize two sawtooth corresponding to two successive relaxation and warming.
  • the invention improves cryogenic refrigerators in terms of energy efficiency, reliability and size.
  • the invention makes it possible to reduce the maintenance operations and to eliminate the use of oils.
  • one or both ends of the output shafts of the motor (s) can directly drive more than one wheel (that is to say several compressors or several turbines).

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Abstract

Dispositif de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide (15) vers une source (1) chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit (200) de travail fermé comprenant en série : une portion de compression sensiblement isotherme du fluide, une portion de refroidissement sensiblement isobare du fluide, une portion de détente sensiblement isotherme du fluide et une portion de réchauffement sensiblement isobare du fluide, la portion de compression du circuit (200) de travail comprenant au moins deux compresseurs (7, 5, 3) disposés en série, la portion de détente du circuit (200) de travail comprenant au moins une turbine (9, 11, 13) de détente, les compresseurs (7, 5, 3) et la ou les turbines (9, 11, 13) de détente étant entraînés par au moins un moteur (70) dit à haute vitesse comprenant un arbre de sortie dont l'une des extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un premier compresseur (7, 5, 3) et dont l'autre extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un second compresseur (7, 5, 3) ou une turbine (9, 11, 13) de détente

Description

  • La présente invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération cryogénique.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide vers une source chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit de travail fermé, le circuit de travail comprenant en série : une portion de compression, une portion de refroidissement, une portion de détente et une portion de réchauffement.
  • La source froide peut être par exemple de l'azote liquide à refroidir et la source chaude de l'eau ou de l'air.
  • Des réfrigérateurs connus pour refroidir des éléments supraconducteurs utilisent en général un cycle de Brayton inverse. Ces réfrigérateurs connus utilisent un compresseur lubrifié à vis, un échangeur à contre courant à plaques et une turbine de détente.
  • Ces réfrigérateurs connus présentent de nombreux inconvénients parmi :
    • un faible rendement énergétique du cycle et par conséquent du réfrigérateur,
    • l'utilisation d'huile pour refroidir et lubrifier le compresseur, ceci impose une opération de déshuilage du gaz de travail après compression,
    • l'utilisation de joints tournants entre le moteur électrique et le compresseur,
    • le faible rendement isotherme de compression du compresseur,
    • la périodicité des opérations de maintenance.
  • Le document US-3,494,145 décrit un système de réfrigération utilisant des accouplements via engrenages nécessitant des paliers à huile. Ce type de dispositif utilise des joints tournants tels que les garnitures mécaniques entre le gaz de travail et le carter des engrenages et des paliers à huile. Cette architecture augmente les risques de fuite du gaz de travail et la pollution possible du gaz de travail par l'huile. Ce système concerne par ailleurs un moteur de type basse vitesse.
  • Le document US-4,984,432 décrit un système de réfrigération utilisant des compresseurs ou des turbines de type à anneau liquide fonctionnant avec un moteur à basse vitesse utilisant des paliers classiques tels que les roulements à billes. Cette technologie relève des compresseurs et turbines volumétriques.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, l'invention propose un dispositif de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide vers une source chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit de travail fermé, le circuit de travail comprenant en série : une portion de compression sensiblement isotherme du fluide, une portion de refroidissement sensiblement isobare du fluide, une portion de détente sensiblement isotherme du fluide et une portion de réchauffement sensiblement isobare du fluide, la portion de compression du circuit de travail comprenant au moins deux compresseurs disposés en série et au moins un échangeur de refroidissement du fluide comprimé disposé à la sortie de chaque compresseur, la portion de détente du circuit de travail comprenant au moins une turbine de détente et au moins un échangeur de réchauffement du fluide détendu, le dispositif de réfrigération utilisant pour l'entraînement des compresseurs plusieurs moteurs à hautes vitesses, c'est-à-dire tournant à une vitesse de rotation de 10000 tours par minute ou plusieurs milliers de tours par minute. les compresseurs et la ou les turbines de détente étant entraînés par au moins un moteur dit à haute vitesse comprenant un arbre de sortie dont l'une des extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un premier compresseur et dont l'autre extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un second compresseur ou une turbine de détente.
  • Les compresseurs sont du type à compression centrifuge. La ou les turbines de détente sont du type à détente centripète. Les moteurs à haute vitesse utilisent des paliers magnétiques ou dynamiques à gaz.
  • De plus, le dispositif comprend un nombre de compresseurs égal à trois fois le nombre de turbines de détente.
  • Les modes de réalisation permettent d'obtenir un système sans pollution d'huile et sans contact. En effet, la combinaison de compresseurs centrifuges, des turbines centripètes et des paliers selon l'invention réduit ou supprime tout contact avec les parties fixes et les parties tournantes. Ceci permet d'éviter tout risque de fuite. L'ensemble du système est en effet hermétique et ne comporte aucun joint tournant vis-à-vis de l'atmosphère (tel que des garnitures mécaniques ou des « dry face seal »).
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • ,
    • ,
    • les arbres de sortie des moteurs sont montés sur des paliers de type magnétique ou de type dynamique à gaz, lesdits paliers étant utilisés pour sustenter les compresseurs et les turbines,
    • la portion de refroidissement et la portion de réchauffement comprennent un échangeur de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant selon qu'il est refroidit ou réchauffé,
    • le circuit de travail comprend un volume formant une capacité tampon de stockage du fluide de travail,
    • le fluide de travail est en phase gazeuse et constitué d'un gaz pur ou d'un mélange de gaz purs parmi : l'hélium, le néon, l'azote, l'oxygène, l'argon, le monoxyde de carbone, le méthane, ou tout autre fluide présentant une phase gazeuse à la température de la source froide.
  • L'invention propose en outre un procédé de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide vers une source chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit de travail fermé d'un tel dispositif, le circuit de travail comprenant en série : une portion de compression comprenant au moins deux compresseurs disposés en série, une portion de refroidissement du fluide, une portion de détente comprenant au moins une turbine de détente, et une portion de réchauffement, le procédé comprenant un cycle de travail comportant une première étape de compression sensiblement isotherme du fluide dans la portion de compression par refroidissement du fluide comprimé en sortie des compresseurs, une seconde étape de refroidissement sensiblement isobare du fluide dans la portion de refroidissement, une troisième étape de détente sensiblement isotherme du fluide dans la portion de détente par réchauffement du fluide détendu en sortie de turbine, et une quatrième étape de réchauffement sensiblement isobare du fluide ayant échangé thermiquement avec la source froide, le cycle de travail du fluide (température T, entropie S) étant du type Ericsson inverse.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • lors de la première étape de compression sensiblement isotherme, le fluide comprimé est refroidit en sortie de chaque compresseur pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque compresseur sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 10 K,
    • lors de la troisième étape de détente sensiblement isotherme le fluide détendu est refroidit en sortie de chaque turbine pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque turbine sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 5 K,
    • les compresseurs et la ou les turbines de détente sont entraînée par au moins un moteur dit à haute vitesse comprenant un arbre de sortie dont l'une des extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un premier compresseur et dont l'autre extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un second compresseur ou une turbine de détente et en ce que le procédé comprend une étape de transfert d'une partie du travail mécanique de la ou des turbines vers le ou les compresseurs via le ou les arbres de sortie,
    • à l'issue de la seconde étape de refroidissement le fluide de travail est amené à une température basse de l'ordre de 60 K,
    • le fluide de travail est utilisé pour refroidir ou maintenir en froid des éléments supraconducteurs à une température de l'ordre de 65 K,
    • la chute de température du fluide constituant la source froide est sensiblement identique à l'augmentation de température du gaz dans les échangeurs.
  • L'invention peut présenter l'un ou plusieurs des avantages suivants :
    • le cycle du fluide de travail (type Ericsson inverse) permet d'obtenir un rendement plus important que les systèmes connus sans pour autant créer ou augmenter d'autres inconvénients,
    • le travail de détente dans les turbines peut être avantageusement valorisé,
    • il est possible de s'affranchir de l'utilisation d'huile pour la lubrification ou le refroidissement, ceci permet de supprimer l'installation de déshuilage en aval du compresseur, ainsi que les opérations de traitement et de recyclage des huiles usagées,
    • le système ne nécessite qu'un faible nombre de pièces mobiles ce qui accroît sa simplicité et sa fiabilité. Il est possible grâce à l'invention de s'affranchir pour le compresseur d'une transmission de puissance mécanique du type multiplicateur de vitesse, joints de cardan, ...
    • les opérations de maintenance sont réduites voir pratiquement inexistantes,
    • le système permet d'éviter des joints tournant et d'utiliser un système totalement hermétique vis à vis de l'extérieur. Ceci empêche toute perte ou pollution du gaz de cycle de travail,
    • l'encombrement du réfrigérateur peut être réduit par rapport aux systèmes connus.
  • 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 illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation de dispositif de réfrigération selon l'invention,
    • la figure 2 représente de façon schématique un détail de la figure 1 illustrant un agencement d'un moteur d'entraînement d'un ensemble compresseur-compresseur ou compresseur-turbine,
    • la figure 3 représente de façon schématique un exemple de cycle de travail du fluide de travail du réfrigérateur de la figure 1,
    • la figure 4 représente une vue schématique illustrant la structure et le fonctionnement d'un second exemple de réalisation d'un réfrigérateur selon l'invention,
    • la figure 5 représente de façon schématique un second exemple de cycle de travail du fluide de travail du réfrigérateur selon la figure 3.
  • En se référant à l'exemple de réalisation de la figure 1, le réfrigérateur selon l'invention est prévu pour transférer de la chaleur d'une source froide 15 à une température cryogénique vers une source chaude à température ambiante 1 par exemple.
  • La source froide 15 peut être, par exemple, de l'azote liquide à refroidir et la source chaude 1 de l'eau ou de l'air. Pour réaliser ce transfert de chaleur, le réfrigérateur illustré à la figure 1 utilise un circuit de travail 200 d'un gaz de travail comprenant les composants listés ci-dessous.
  • Le circuit 200 comprend plusieurs compresseurs 3, 5, 7 centrifuges disposés en série et fonctionnant à température ambiante.
  • Le circuit 200 comprend plusieurs échangeurs de chaleur 2, 4, 6 fonctionnant à température ambiante disposés respectivement à la sortie des compresseurs 3, 5, 7. Les températures du gaz de travail en entrée et en sortie, de chaque étage de compression (c'est-à-dire à l'entrée et à la sortie de chaque compresseur 3, 5, 7), sont maintenues par les échanges thermiques à un niveau sensiblement identique (cf. zone A sur la figure 3 qui représente un cycle de travail du gaz : température en K en fonction de l'entropie S en J/kg). A la figure 3, les parties montantes de la zone A en dents de scie correspondant chacune à un étage de compression tandis que les parties descendantes de cette zone A correspondent chacune à un refroidissement par échangeur.
  • Cette disposition permet de se rapprocher d'une compression isotherme. Les températures d'entrée et de sortie, de chaque étage de compression, sont sensiblement les mêmes.
  • Les échangeurs 2, 4, 6 peuvent être distincts ou être constitués de portions distinctes d'un même échangeur en échange thermique avec la source chaude 1.
  • Le réfrigérateur comprend plusieurs moteurs (70 cf. figure 2) dits à haute vitesse. Par moteur à haute vitesse on désigne habituellement des moteurs dont la vitesse de rotation permet un accouplement direct avec un étage de compression centrifuge ou un étage de détente centripète. Les moteurs 70 à haute vitesse utilisent de préférence des paliers magnétiques ou dynamiques à gaz 171 (figure 2). Un moteur à haute vitesse tourne typiquement à une vitesse de rotation de 10 000 tours par minute ou plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. Un moteur basse vitesse tourne plutôt avec une vitesse de quelques milliers de tours par minute.
  • En aval de la portion de compression comprenant les compresseurs en série, le réfrigérateur comprend un échangeur 8 de chaleur de préférence de type à plaques à contre courant séparant les éléments à température ambiante (en partie haute du circuit 200 représenté à la figure 1) des éléments à température cryogéniques (en partie inférieure du circuit 200). Le fluide est refroidit (correspondant à la zone D de la figure 3). Le refroidissement du gaz de la température ambiante à la température cryogénique s'effectue par échange à contre courant avec le même gaz de travail gaz à température cryogénique qui revient de la portion de détente après échange thermique avec la source froide 15.
  • En aval de cette portion de refroidissement constituée par l'échangeur 8 à plaques, le circuit comporte une ou plusieurs turbines 9, 11, 13 de détente, de préférence de type centripètes, disposées en série. Les turbines 9, 11, 13 fonctionnent à température cryogéniques, les températures d'entrée et de sortie de chaque étage de détente (entrée et sortie de turbine) sont maintenues sensiblement identiques par un ou plusieurs échangeurs de chaleur 10, 12, 14 cryogéniques disposés à la sortie de la ou des turbines. Ceci correspond à la zone C de la figure 3, les portions descendantes de la zone C correspondant chacune à un étage de détente tandis que les portions montantes de cette zone correspondent au réchauffement dans les échangeurs 10, 12, 14. Cette disposition permet de se rapprocher d'une détente isotherme. Les températures d'entrée et de sortie de chaque étage de détente sont sensiblement les mêmes. De plus et afin d'augmenter le rendement du réfrigérateur, l'augmentation de la température du gaz de travail dans le ou les échangeur (10, 12, 14) peut être sensiblement identique (en valeur absolue) à la baisse de la température du fluide à refroidir (15) (source froide).
  • Ces échangeurs 10, 12, 14 de réchauffement peuvent être distincts ou être constitués de portions distinctes d'un même échangeur en échange thermique avec la source froide 15.
  • En aval de la portion de détente et de l'échange thermique avec la source froide 15, le fluide de travail échange thermiquement à nouveau avec l'échangeur 8 de chaleur à plaques (zone B de la figure 3). Le fluide échange thermiquement dans l'échangeur 8 à contre courant par rapport à son passage après la portion de compression. Après réchauffage le fluide revient dans la portion de compression et peut recommencer un cycle.
  • Le circuit peut comprendre en outre une capacité de gaz de travail à température ambiante (non représentée par soucis de simplification) pour limiter la pression dans les circuits, lors de l'arrêt du réfrigérateur par exemple.
  • Le réfrigérateur utilise de préférence comme fluide de travail un fluide en phase gazeuse circulant en circuit fermé. Celui-ci est constitué par exemple d'un gaz pur ou d'un mélange de gaz pur. Les gaz les mieux adaptés à cette technologie sont notamment : l'hélium, le néon, l'azote, l'oxygène et l'argon. Le monoxyde de carbone et le méthane peuvent également être utilisés.
  • Le réfrigérateur est conçu et piloté ainsi de façon à obtenir un cycle de travail du fluide se rapprochant du cycle d'Ericsson inverse. C'est à dire: une compression isotherme, un refroidissement isobare, une détente isotherme et un réchauffement isobare.
  • Selon une particularité avantageuse le réfrigérateur utilise pour l'entraînement au moins des compresseurs 3, 5, 7 (c'est-à-dire pour l'entraînement des roues des compresseurs) plusieurs moteurs 70 dits à hautes vitesses.
  • Comme schématisé à la figure 2, chaque moteur 70 à haute vitesse reçoit sur une des extrémités de son arbre de sortie une roue de compresseur 31 et, sur l'autre extrémité de son arbre une autre roue de compresseur ou une roue de turbine 9. Cette disposition procure de nombreux avantages. Cette configuration permet dans le réfrigérateur un accouplement direct entre le moteur 70 et les roues de compresseur 3, 5, 7 ou entre le moteur 70 et les roues des turbines 9, 11, 13. Ceci permet de s'affranchir d'un multiplicateur ou réducteur de vitesse (ce qui limite le nombre de pièces mobiles nécessaires). Cette configuration permet également une valorisation du travail mécanique de la ou des turbines 9, 11, 13 et par conséquent une augmentation du rendement énergétique global du réfrigérateur. Selon cette configuration, le réfrigérateur a un fonctionnement sans huile, ce qui permet de garantir la pureté du gaz de travail et supprime la nécessitée d'une opération de déshuilage.
  • Le nombre de moteur à haute vitesse est principalement fonction du rendement énergétique souhaité pour le réfrigérateur. Plus ce rendement est important, plus le nombre de moteur haute vitesse doit être élevé.
  • Le rapport entre le nombre d'étage de compression (compresseurs) et le nombre d'étages de détente (turbines) est fonction de la température froide cible. Par exemple, pour un réfrigérateur dont la source froide est à 273 K, le nombre d'étage de compression sera sensiblement égal au nombre d'étage de détente. Pour un réfrigérateur dont la source froide est à 65 K, le nombre d'étage de compression est environ 3 fois plus important que le nombre d'étage de détente.
  • La figure 4 illustre un autre mode de réalisation qui peut par exemple être utilisé pour refroidir ou maintenir en température des câbles supraconducteurs à une température cryogénique d'environ 65 K. Pour ce niveau de température, le nombre d'étage de compression (compresseurs) doit être environ trois fois plus important que le nombre d'étages de détente (turbines). Ceci peut être réalisé selon plusieurs configurations possibles. Par exemple trois compresseurs et une turbine ou six compresseurs et deux turbines,...
  • Le choix du nombre d'organe sera fonction du rendement énergétique souhaité. Ainsi, une solution utilisant trois compresseurs et une turbine aura un rendement énergétique moins important qu'une solution utilisant six compresseurs et deux turbines.
  • Dans l'exemple de la figure 4 le réfrigérateur comprend six compresseurs 101, 102, 103, 104, 105, 106 et deux turbines 116, 111 et quatre moteurs à haute vitesse 107, 112, 114, 109. Les deux premiers compresseurs 101, 102 (c'est-à-dire les roues des compresseurs) sont montés respectivement aux deux extrémités d'un premier moteur haute vitesse 107. Les deux compresseurs 103, 104 suivants sont montés respectivement aux deux extrémités d'un second moteur haute vitesse 112. Le compresseur suivant 105 et la turbine 116 (c'est-à-dire la roue de la turbine) sont montés respectivement aux deux extrémités d'un troisième moteur haute vitesse 114. Enfin, la dernière turbine 111 et le sixième compresseur 106 sont montés respectivement aux deux extrémités d'un quatrième moteur 109.
  • Le cheminement du gaz de travail lors d'un cycle dans le circuit en boucle fermée peut être décrit comme suit.
  • Lors d'une première étape le gaz est comprimé progressivement en passant successivement dans les quatre compresseurs en série 101, 102, 103, 104, 105, 106.
  • A l'issue de chaque étage de compression (à la sortie de chaque compresseur) le gaz de travail est refroidi dans un échangeur de chaleur respectif 108 (par échange thermique avec de l'air ou de l'eau par exemple) pour se rapprocher d'une compression isotherme. Après cette portion de compression le gaz est refroidi de façon isobare au travers d'un échangeur à plaques à contre-courant 103. Après cette portion de refroidissement, le gaz de refroidissement est détendu progressivement dans les deux turbines centripètes en série 116, 111. Après chaque étage de détente le gaz de travail est réchauffé par échange thermique dans un échangeur 110 (par exemple par échange thermique avec la source froide), de façon à réaliser une détente sensiblement isotherme. A l'issue de cette détente isotherme le gaz de travail est réchauffé dans l'échangeur 113 et peut ensuite recommencer un nouveau cycle par une compression.
  • La figure 5 représente le cycle (température T et entropie S) du fluide de travail du réfrigérateur de la figure 5. Comme précédemment pour la figure 3, on distingue dans la zone A de compression six dents de scie correspondant aux six compressions et refroidissements successifs. Dans la zone C de détente on reconnaît deux dents de scie correspondant aux deux détentes et réchauffement successifs.
  • L'invention améliore les réfrigérateurs cryogéniques en terme de rendement énergétique, de fiabilité et d'encombrement. L'invention permet de diminuer les opérations de maintenance et de supprimer l'utilisation d'huiles.
  • Bien entendu l'une ou les deux extrémités des arbres de sortie du ou des moteurs peuvent entraîner directement plus d'une roue (c'est-à-dire plusieurs compresseurs ou plusieurs turbines).

Claims (13)

1. Dispositif de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide (15) vers une source (1) chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit (200) de travail fermé, le circuit (200) de travail comprenant en série : une portion de compression sensiblement isotherme du fluide, une portion de refroidissement sensiblement isobare du fluide, une portion de détente sensiblement isotherme du fluide et une portion de réchauffement sensiblement isobare du fluide, la portion de compression du circuit (200) de travail comprenant au moins deux compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) disposés en série et au moins un échangeur (6, 4, 2, 108) de refroidissement du fluide comprimé disposé à la sortie de chaque compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106), la portion de détente du circuit (200) de travail comprenant au moins une turbine (9, 11, 13, 116, 111) de détente et au moins un échangeur (10, 12, 14, 110) de réchauffement du fluide détendu, le dispositif comprenant un nombre de compresseurs égal à trois fois le nombre de turbines de détente, le dispositif de réfrigération utilisant pour l'entraînement des compresseurs plusieurs moteurs à hautes vitesses, c'est-à-dire tournant à une vitesse de rotation de 10000 tours par minute ou plusieurs milliers de tours par minute, le dispositif comprenant pour l'entraînement des des compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et de la ou les turbines (9, 11, 13) de détente, au moins un moteur (70, 107, 112, 114, 109) à haute vitesse comprenant un arbre de sortie dont l'une des extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un premier compresseur (7, 5, 3,101, 102, 103, 104, 105, 106) et dont l'autre extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un second compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) ou une turbine (9, 11, 13, 116, 111) de détente, et en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) sont du type à compression centrifuge, et en ce que la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente sont du type à détente centripète, les moteurs à haute vitesse utilisant des paliers magnétiques ou dynamiques à gaz..
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'une des deux configurations suivantes : trois compresseurs et une turbine ou six compresseurs et deux turbines.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion de refroidissement et la portion de réchauffement comprennent un échangeur de chaleur (8, 113) commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant selon qu'il est refroidit ou réchauffé.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (8, 113) commun est du type à plaques à contre courant et sépare les éléments du circuit à température ambiante des éléments du circuit à température cryogéniques.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de travail comprend un volume formant une capacité tampon de stockage du fluide de travail.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide de travail est en phase gazeuse et constitué d'un gaz pur ou d'un mélange de gaz purs parmi : l'hélium, le néon, l'azote, l'oxygène, l'argon, le monoxyde de carbone, le méthane, ou tout autre fluide présentant une phase gazeuse à la température de la source froide.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur (70, 107, 112, 114, 109) dont au moins l'une des extrémités de l'arbre de sortie entraîne en rotation par accouplement direct au moins deux roues (roues de compresseur et/ou roues de turbine).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur dont une extrémité de son arbre de sortie entraîne en rotation par accouplement direct deux roues de compresseur, l'autre extrémité de l'arbre de sortie entraînant en rotation par accouplement direct une roue de turbine.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les arbres de sortie des moteurs sont montés sur des paliers de type magnétique ou de type dynamique à gaz, lesdits paliers étant utilisés pour sustenter les compresseurs et les turbines.
10. Procédé de réfrigération cryogénique destiné à transférer de la chaleur d'une source froide (15) vers une source (1) chaude via un fluide de travail circulant dans un circuit (200) de travail fermé d'un dispositif de réfrigération conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, le circuit (200) de travail comprenant en série : une portion de compression comprenant au moins deux compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) disposés en série, une portion de refroidissement du fluide, une portion de détente comprenant au moins une turbine (9, 11, 13, 116, 111) de détente, et une portion de réchauffement, le procédé comprenant un cycle de travail comportant une première étape de compression sensiblement isotherme du fluide dans la portion de compression par refroidissement du fluide comprimé en sortie des compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106), une seconde étape de refroidissement sensiblement isobare du fluide dans la portion de refroidissement, une troisième étape de détente sensiblement isotherme du fluide dans la portion de détente par réchauffement du fluide détendu en sortie de turbine, et une quatrième étape de réchauffement sensiblement isobare du fluide ayant échangé thermiquement avec la source froide (15), le cycle de travail du fluide (température T, entropie S) étant du type Ericsson inverse, lors de la première étape de compression sensiblement isotherme, le fluide comprimé est refroidit en sortie de chaque compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque compresseur sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 10 K, lors de la troisième étape de détente sensiblement isotherme le fluide détendu étant refroidi en sortie de chaque turbine (9, 11, 13, 116, 111) pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque turbine (9, 11, 13, 116, 111) sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 5 K, le dispositif comprenant un nombre de compresseurs égal à trois fois le nombre de turbines de détente, caractérisé en ce que le dispositif de réfrigération utilisant pour l'entraînement des compresseurs plusieurs moteurs à hautes vitesses, c'est-à-dire tournant à une vitesse de rotation de 1000 tours par minute ou plusieurs milliers de tours par minute, le dispositif comprenant pour l'entraînement des compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente au moins un moteur (70, 107, 112, 114, 109) dit à haute vitesse comprenant un arbre de sortie dont l'une des extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un premier compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et dont l'autre extrémité porte et entraîne en rotation par accouplement direct un second compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) ou une turbine (9, 11, 13, 116, 111) de détente et en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) sont du type à compression centrifuge, et en ce que la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente sont du type à détente centripète, et en ce que le procédé comprend une étape de transfert d'une partie du travail mécanique de la ou des turbines (9, 11, 13, 116, 111) vers le ou les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) via le ou les arbres de sortie (71), les moteurs à haute vitesse utilisant des paliers magnétiques ou dynamiques à gaz..
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'à l'issue de la seconde étape de refroidissement, le fluide de travail est amené à une température basse de l'ordre de 60 K.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 ou 10, caractérisé en ce que le fluide de travail est utilisé pour refroidir ou maintenir en froid des éléments supraconducteurs à une température de l'ordre de 65 K.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la chute de température du fluide constituant la source froide (15) est sensiblement identique à l'augmentation de température du gaz de travail dans des échangeurs (110, 10, 12, 14) de chaleur du circuit (200) de travail.
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