EP4264147A1 - Dispositif et procédé de réfrigération à dilution - Google Patents

Dispositif et procédé de réfrigération à dilution

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Publication number
EP4264147A1
EP4264147A1 EP21823524.0A EP21823524A EP4264147A1 EP 4264147 A1 EP4264147 A1 EP 4264147A1 EP 21823524 A EP21823524 A EP 21823524A EP 4264147 A1 EP4264147 A1 EP 4264147A1
Authority
EP
European Patent Office
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sheath
cryogenerator
enclosure
boiler
inlet
Prior art date
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Pending
Application number
EP21823524.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier GUIA
Marc STORA
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
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP4264147A1 publication Critical patent/EP4264147A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40—Fluid line arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/12—Sound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/13—Vibrations

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for dilution refrigeration.
  • the invention relates more particularly to a dilution refrigeration device comprising a looped working circuit containing a cycle fluid, the cycle fluid comprising a mixture of isotope helium 3 (3He) and isotope helium 4 (4He), the working circuit comprising, arranged in series and fluidly connected via a set of pipes, a mixing chamber, a boiler and a transfer member, the circuit being configured to connect an outlet of the mixing chamber to a inlet of the boiler and an outlet of the boiler to an inlet of the transfer member, the circuit being further configured to connect an outlet of the transfer member to an inlet of the mixing chamber, the device further comprising at least a cooling unit in heat exchange with the working circuit and configured to transfer cold temperatures to the cycle fluid, the at least one cooling unit comprising a cryogenerator, for example of the Gifford-Mc type Mahon or pulsed gas tube, the device) comprising a support, a sealed enclosure (9),
  • the invention relates in particular to a device and method for cryogenic refrigeration at low or very low temperature (that is to say potentially down to the temperature range of one milliKelvin to one hundred milliKelvin).
  • the traditional means of obtaining refrigeration power at temperatures in the milliKelvin to hundred milliKelvin range is indeed the helium-3 in helium-4 dilution refrigerator.
  • Document FR2914050A1 describes a cryogenerator cooling system used in a dilution refrigeration device.
  • the coupling (thermal and mechanical link) of a cryogenerator with a dilution refrigeration device is however likely to transmit vibrations to the dilution refrigeration device. These vibrations are harmful because they generate overconsumption of power or overheating and parasitic noises on the object cooled by a dilution cooling device.
  • the known devices are relatively complex and bulky due to the numerous fluid circuits required.
  • 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 essentially characterized in that an open end of the enclosure is mechanically connected to the support via a bellows sealed hose, an upper end of the cryogenerator being fixed on the support, the device further comprising a sealed sheath housed in the enclosure, a lower end of the cryogenerator extending into the sheath inside the bellows so that the enclosure and the sheath are at least partially mechanically isolated from the vibrations generated by the cryogenerator, the working circuit comprising a fluid injection pipe connecting an outlet of the transfer member to an inlet of the mixing chamber via a sealed passage in the sheath, the injection line being mechanically decoupled from the cryogenerator and the support, i.e.
  • the injection line is at least partially insulated e mechanically from the vibrations generated by the cryogenerator, and in that the working circuit comprises a set of return pipes connecting an outlet of the boiler to an inlet of the transfer member outside the enclosure via a passage of the cycle gas in the sheath into which the cycle fluid emerges and circulates in the volume of the sheath in contact with the lower end of the cryogenerator.
  • the device according to the invention therefore operates with a cryogenerator but without the cold dilution part being subjected or too sensitive to the vibrations of the cryogenerator.
  • the system is compact and can use only one and the same fluid for the working fluid and the atmosphere in the sheath.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the invention also relates to a dilution refrigeration method using a device according to any one of the characteristics above or below, comprising a step for generating cold by the cryogenerator, a step for circulating the cycle fluid in the working circuit, the method further comprising at least one step from among: regulating the quantity of gas in the sheath, regulating the pressure in the sheath to a determined value, for example close to atmospheric pressure and in particular between 0 and 2 bar, regulation of the pressure in the sheath to a pressure corresponding to the pressure of the liquefaction of the helium isotope 4 at the coldest temperature of the cryogenerator.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 represents a simplified, schematic and partial view illustrating another example of a support structure of such a device.
  • FIG. 1 represents a simplified, schematic and partial top view, illustrating an example of structure of a heat exchanger of the device.
  • the dilution refrigeration device 1 illustrated in comprises a working circuit 2 in a loop containing a cycle fluid.
  • This cycle fluid comprises a mixture of isotope helium 3 (3He) and isotope helium 4 (4He).
  • This working circuit 2 forms, for example, a closed loop and comprises, arranged in series and fluidly connected via a set of pipes 12, 13, 130, a mixing chamber 3, a boiler 5 and a transfer device 6 (for example a pump Or other).
  • the set of pipes of the working circuit 2 is in particular configured to connect an outlet of the mixing chamber 3 to an inlet of the boiler 5 and an outlet of the boiler 5 to an inlet of the transfer member 6.
  • the set of pipes of the circuit 2 is further configured to connect an output of the transfer member 6 to an inlet of the mixing chamber 3.
  • a heat exchange portion (not shown for the sake of simplification) can be provided between the counter-current pipes between the mixing chamber 3 and the boiler 5.
  • the device 1 further comprises at least one cooling member in heat exchange with the working circuit 2 and configured to transfer cold temperatures to the cycle fluid (that is to say to cool it by supplying it with cold power) .
  • Such a dilution system makes it possible to generate very low temperatures at the mixing chamber 3 .
  • This can be used conventionally to cool an application (schematized by the reference 22) and which can in particular have a power to be dissipated which varies over time.
  • the cooling unit comprises a cryogenerator 4, for example of the Gifford-McMahon or pulsed gas tube type (but any other suitable cryogenic cold production device can be envisaged).
  • a cryogenerator 4 for example of the Gifford-McMahon or pulsed gas tube type (but any other suitable cryogenic cold production device can be envisaged).
  • the device 1 comprising a support 7, 8 and a sealed enclosure 9.
  • the enclosure 9 comprises for example a sealed tank (typically made of stainless steel, aluminum, or any other suitable material) having an open end connected mechanically and in a sealed manner to the support 7, 8 via a sealed flexible bellows 10.
  • the hose is for example formed of hydroformed stainless steel corrugations.
  • any other type of vibration damping and/or filtering connection could replace or supplement the aforementioned bellows 10, for example, a bellows with welded cups or an elastomer sleeve.
  • the support comprises a horizontal base 8 in the position of use which is mounted on a first set of legs 7, for example three legs 7.
  • the cryogenerator 4 is fixed on the support 7, 8, for example by screwing.
  • an upper end of the cryogenerator 4 can be mounted on the base 8 of the support (in a sealed manner through the base 8 in particular).
  • Device 1 further comprises a sealed sheath 90 housed in enclosure 9 and also forming a sealed closed volume.
  • the internal volume of enclosure 9 is under vacuum (at a pressure lower than the external pressure).
  • the sheath 90 comprises or is made up of a metal leaktight tank or casing.
  • the sheath 90 is for example fixed to an upper end of the enclosure 9.
  • an open upper end of the sheath 90 is suspended or connected to an upper end of the enclosure 9 (if necessary via a connection or a vibration damping element).
  • a lower end of the cryogenerator 4 extends into the sheath 90 inside the bellows 10 (and therefore into the enclosure 9 which houses them).
  • the enclosure 9 and the sheath 90 are at least partially mechanically isolated from the vibrations generated by the cryogenerator 4 (thanks in particular to the bellows 10).
  • the mixing chamber 3 and the boiler 5 can be housed/mounted in a sealed envelope 900 located in the enclosure 9 and in particular in a container 300 housed in this envelope 900.
  • the transfer member 6 is located outside the enclosure 9.
  • the volume of the envelope 900 forms a volume which communicates or not with the volume of the sheath 90.
  • the volumes of the enclosure 9, of the casing 900 and of the container 300 are under vacuum and communicate with each other but do not communicate with the volume of the sheath 90 which is under an independent atmosphere (the volume of the sheath 90 contains for example at least one of: He3, He4).
  • the working circuit 2 comprises a pipe 12 for injecting the cycle fluid (which may be a cupronickel or copper capillary for example) connecting an outlet of the transfer member 6 to an inlet of the mixing chamber 3 via a passage (sealed) in the sheath 90 and in the enclosure 9.
  • the injection line 12 is in heat exchange with the cryogenerator 4 (which cools it).
  • the cryogenerator 4 comprises plates and/or cooling exchangers 16, 17 in contact with cold parts of the cryogenerator 4.
  • the lower end of the cryogenerator 4 in the sheath 90 comprises a first portion 16 (first stage) cooled to a first temperature comprised for example between 4 and 100K (and for example equal to 50K) and a second portion 17 (second stage) cooled to a second temperature between 2 and 8K (and for example equal to 4K).
  • said injection pipe 12 is mechanically decoupled from the cryogenerator 4 and from the support 7, 8, that is to say that the injection pipe 12 is at least partially mechanically isolated from the vibrations generated by the cryogenerator 4.
  • the injection pipe 12 is not directly connected or mechanically fixed to the cryogenerator 4 or to an element connected to the cryogenerator 4 without damping the vibrations of the latter.
  • the injection pipe 12 is fixed to the enclosure 9, without contact with the support 7, 8.
  • the injection pipe 12 is fixed to an element in the sheath 90 which is mechanically isolated from the vibrations of the cryogenerator 4.
  • the injection line 12 passes through the support 8 without touching it and/or the enclosure 9 and/or the sheath 90 via an insulated passage with one or more vibration isolation systems (seals, shock absorbers).
  • the injection pipe 12 can be fixed to an inner wall of the sheath 90 (for example by welding and/or gluing) and/or can be suspended in the sheath 90.
  • the pipe 12 d injection is not in mechanical contact at the level of the plates 16, 17 (cold stage(s) or exchangers) of the cryogenerator 4.
  • the injection pipe 12 is thermally coupled to the cryogenerator 4 thanks to the gas present in the enclosure 90 which houses the cryogenerator 4.
  • a continuous heat exchanger is thus obtained allowing the effective pre-cooling of the mixture constituting the cycle gas, while avoiding transmitting the vibrations to the lower stages of the device 1.
  • the at least one cycle gas cooling unit may further comprise an additional cooling system located upstream of the inlet of the boiler 5, for example a Joule-Thompson type cooler 50 (or any other appropriate system , for example a 1K-pot in English).
  • an additional cooling system located upstream of the inlet of the boiler 5, for example a Joule-Thompson type cooler 50 (or any other appropriate system , for example a 1K-pot in English).
  • the working circuit 2 further comprises comprises a set of return pipes 13, 130 connecting an outlet of the boiler 5 to an inlet of the transfer member 6 outside the cold box via a cycle gas passage in the sheath 90, the cycle fluid emerging and circulating in the volume of the sheath 90 in contact (directly) with the lower end of the cryogenerator 4.
  • the set of return pipes comprises a first return pipe portion 13 opening into the sheath 90 at a lower end of the sheath 90 to inject cycle gas therein, and a second return pipe portion 130 having a lower end communicating with an upper end of the sheath 90 to collect the cycle gas.
  • the set of return pipes 13, 130 is also mechanically decoupled from the cryogenerator 4 and from the support 7, 8, that is to say at least partially mechanically isolated from the vibrations generated by the cryogenerator 4.
  • the cycle fluid (mixture of H3-He4 gases) circulates from bottom to top and exchanges directly with the injection line 2 and the heat exchangers 16, 17 of the cryogenerator 4.
  • the heat exchangers 16, 17 are of preferably thermalized (that is to say cooled) on the intermediate stages at 4K and at 50K and can thus recover the negative calories of the working gas returning from the boiler 5 and thus optimize the pre-cooling of the working fluid circulating in the opposite direction from top to bottom.
  • the atmosphere in the sheath 90 surrounding the heat exchangers 16, 17 is therefore not composed of a static gas. This promotes heat exchange. This makes it possible to use less gas and to be able to go down to lower temperatures more easily (below 4K, and for example equal to 2.8K). This is obtained by maintaining a gaseous atmosphere in the volume of the sheath 90 around the cold part of the cryogenerator4.
  • gas from this atmosphere can be liquefied and can form a bath at the bottom of the sheath 90.
  • This structure contributes to having no or little mechanical link with the cryogenerator 4 on the cold parts and therefore no transmission of vibrations.
  • one and the same type of gas can be used for the working gas and for this gas atmosphere in the sheath 90.
  • the lower end of the cryogenerator 4 may comprise at least one cycle gas cooling heat exchanger 17, in particular from the atmosphere in the volume of the sheath 90.
  • the first return pipe portion 13 may advantageously open out below said exchanger 17 of heat to direct the flow of cycle fluid rising in contact with this exchanger 17 of heat.
  • This heat exchanger 17 may comprise a structure provided with passage(s), for example orifices 170 and/or fins oriented in the vertical direction to accommodate at least part of the flow of cycle gas emerging through the first portion 13 of conduit back cf. . This increases the efficiency of heat exchange between the different parts (fluid in particular).
  • the device 1 can be configured to maintain the pressure in the sheath 90 at a determined value, for example close to atmospheric pressure and in particular between 0 and 2 bar.
  • the target pressure is the helium liquefaction pressure at the coldest temperature of the cryogenerator 4 (for example 5K, 4K, 2.5K, etc.).
  • the support may comprise a first base 8 mounted horizontally on a first set of feet 7, for example three feet (isostatic system).
  • the support may comprise a second base 20 located under the first base 8 and mounted on a second set of feet 21, for example three feet.
  • the two ends of the bellows 10 can be connected respectively to the first 8 and second 20 bases.
  • the second base 20 is for example connected to the first base 8 by the bellows 10, the enclosure 9 being for example mechanically connected to the second base (20).
  • This structure with double isostatic frames makes it possible to better decouple the force absorption and vibrations in the device 1.
  • the sets 7, 8 and 20, 21 can be fixed to the same reference surface or to two different respective reference surfaces.
  • Posts or pillars for example three, can also be provided in parallel with the bellows 10 to avoid any potential damage to the bellows 10 and the other components both during transport and during installation, maintenance and operation of the device 1 It is possible to use a horizontal gap (in the XY plane) between each pillar and a respective flange to check the correct alignment of the installation.
  • Vertical clearance (in Z) can be eliminated or authorized (“transport” mode or “operating” mode, for example).
  • operation the vertical play can make it possible to release/optimize the work of the bellows 10 while maintaining a safety function which prevents the crushing of the bellows 10 in the event of failure.
  • the device has other advantages over the prior art. Thus, for example, improved ease of maintenance. Indeed, it suffices to disassemble (screw or other) at 300K to be able to intervene on the cryogenerator 4 on the support, thanks to the absence of mechanical contact between it and the other cold elements of the device 1.
  • the device may comprise a pump or a cryogenic compressor for circulating the flow of working fluid, for example at the level of the first cold stage of the circuit (temperature for example at 77K or 50K or 4K) in addition to or replacing a pump external, to increase the pressure in the working circuit 2 and maintain a more efficient heat exchange regime.
  • a pump or a cryogenic compressor for circulating the flow of working fluid, for example at the level of the first cold stage of the circuit (temperature for example at 77K or 50K or 4K) in addition to or replacing a pump external, to increase the pressure in the working circuit 2 and maintain a more efficient heat exchange regime.

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Abstract

Dispositif de réfrigération à dilution comprenant un circuit (2) de travail comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (2) de travail comprenant une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le circuit (2) reliant une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, et configuré pour relier une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le dispositif (1) comprenant en outre au moins un organe (4, 50) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (2) de travail, le au moins un organe (4, 50) de refroidissement comprenant un cryogénérateur (4), le dispositif (1) comprenant un support (7, 8), une enceinte (9) étanche, une extrémité ouverte de l'enceinte (9) étant reliée mécaniquement au support (7, 8) via un soufflet (10) flexible étanche, une extrémité supérieure du cryogénérateur (4) étant fixée sur le support (7, 8), le dispositif (1) comprenant en outre une gaine (90) étanche logée dans l'enceinte (9), une extrémité inférieure du cryogénérateur (4) s'étendant dans la gaine (90) à l'intérieur du soufflet (10) de sorte que l'enceinte (9) et la gaine (90) sont au moins partiellement isolées mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur (4), le circuit (2) de travail comprenant une conduite (12) d'injection du fluide reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3) via un passage étanche dans la gaine (90), la conduite (12) d'injection étant découplée mécaniquement du cryogénérateur (4) et du support, et en ce que le circuit (2) de travail relie une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert à l'extérieur de l'enceinte (9) via un passage du gaz de cycle dans la gaine (90) dans lequel le fluide de cycle débouche et circule dans le volume de la gaine (90) au contact de l'extrémité inférieure du cryogénérateur (4).

Description

    Dispositif et procédé de réfrigération à dilution
  • L’invention concerne un dispositif et un procédé de réfrigération à dilution.
  • L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à dilution comprenant un circuit de travail en boucle contenant un fluide de cycle, le fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un ensemble de conduites, une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert, le circuit étant configuré pour relier une sortie de la chambre de mélange à une entrée du bouilleur et une sortie du bouilleur à une entrée de l’organe de transfert, le circuit étant en outre configuré pour relier une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe de refroidissement en échange thermique avec le circuit de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, le au moins un organe de refroidissement comprenant un cryogénérateur par exemple de type Gifford-McMahon ou à tube à gaz pulsé, le dispositif) comprenant un support, une enceinte (9) étanche,
  • L’invention concerne en particulier un dispositif et procédé de réfrigération cryogénique à basse ou très basse température (c’est-à-dire potentiellement jusque dans la gamme de température du milliKelvin à la centaine de milliKelvin).
  • Le moyen traditionnel d’obtenir de la puissance de réfrigération à des températures de l’ordre du milliKelvin à la centaine de milliKelvin est en effet le réfrigérateur à dilution d’hélium 3 dans l’hélium 4.
  • Le document FR2914050A1 décrit un système de refroidissement à cryogénérateur utilisé dans un dispositif de réfrigération à dilution.
  • Le couplage (lien thermique et mécanique) d’un cryogénérateur avec un dispositif de réfrigération à dilution est cependant susceptible de transmettre des vibrations au dispositif de réfrigération à dilution. Ces vibrations sont néfastes car génèrent une surconsommation de puissance ou une surchauffe et des bruits parasites sur l’objet refroidi par dispositif de réfrigération à dilution.
  • De plus, les dispositifs connus sont relativement complexes et volumineux du fait des nombreux circuits de fluide nécessaires.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu’une extrémité ouverte de l’enceinte est reliée mécaniquement au support via un soufflet flexible étanche, une extrémité supérieure du cryogénérateur étant fixée sur le support, le dispositif comprenant en outre une gaine étanche logée dans l’enceinte, une extrémité inférieure du cryogénérateur s’étendant dans la gaine à l’intérieur du soufflet de sorte que l’enceinte et la gaine sont au moins partiellement isolées mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur, le circuit de travail comprenant une conduite d’injection du fluide reliant une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange via un passage étanche dans la gaine, la conduite d’injection étant découplée mécaniquement du cryogénérateur et du support, c’est-à-dire que la conduite d’injection est au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur, et en ce que le circuit de travail comprend un ensemble de conduites de retour reliant une sortie du bouilleur à une entrée de l’organe de transfert à l’extérieur de l’enceinte via un passage du gaz de cycle dans la gaine dans lequel le fluide de cycle débouche et circule dans le volume de la gaine au contact de l’extrémité inférieure du cryogénérateur.
  • Le dispositif selon l’invention fonctionne donc avec un cryogénérateur mais sans que la partie froide de dilution ne soit soumise ou trop sensible aux vibrations du cryogénérateur.
  • De plus, le système est compact et peut n’utiliser qu’un seul et même fluide pour le fluide de travail et l’atmosphère dans la gaine.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la conduite d’injection est en échange thermique avec le cryogénérateur ainsi qu’avec le fluide de cycle qui circule dans la gaine entre la sortie du bouilleur et l’entrée de l’organe de transfert,
    • l’ensemble de conduites de retour comprend une première portion de conduite de retour débouchant dans la gaine à une extrémité inférieure de la gaine pour y injecter du gaz de cycle, et une seconde portion de conduite de retour ayant une extrémité inférieure communiquant avec une extrémité supérieure de la gaine pour collecter le gaz de cycle,
    • l’extrémité inférieure du cryogénérateur comprend au moins un échangeur de chaleur de refroidissement de gaz de cycle, la première portion de conduite de retour débouchant en dessous dudit échangeur de chaleur pour orienter le flux de fluide de cycle injecté dans la gaine au contact du au moins un échangeur de chaleur,
    • le au moins un échangeur de chaleur comprend dans son épaisseur un ou des passages, par exemple des orifices et/ou ailettes orientés selon la direction verticale pour accueillir au moins une partie du flux de gaz de cycle débouchant par la première portion de conduite de retour,
    • l’ensemble de conduites de retour est découplé mécaniquement de cryogénérateur et du support, c’est-à-dire au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur,
    • la conduite d’injection est fixée à une paroi intérieure de la gaine et/ou suspendue dans la gaine,
    • la chambre de mélange et le bouilleur sont montés dans une enveloppe et/ou un récipient situé(es) dans l’enceinte, l’organe de transfert, étant situé en dehors de l’enceinte,
    • en configuration de fonctionnement, l’extrémité inférieure du cryogénérateur comprend une première portion refroidie à une première température comprise entre 4 et 100K et par exemple égale à 50K et une seconde portion refroidie à une seconde température comprise entre 2 et 8K et par exemple égale à 4K,
    • le au moins un organe de refroidissement comprend un système de refroidissement additionnel situé à l’entrée en amont du bouilleur, par exemple un refroidisseur du type Joule-Thompson,
    • le support comprend une première base montée sur un premier ensemble de pieds, par exemple trois pieds,
    • le support comprend une seconde base située sous la première base et montée sur un second ensemble de pieds, par exemple trois pieds, les deux extrémités du soufflet (10) étant reliées respectivement aux première et seconde bases,
    • l’enceinte est reliée mécaniquement à la seconde base.
  • L’invention concerne également un procédé de réfrigération à dilution utilisant un dispositif selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, comprenant une étape de génération de froid par le cryogénérateur, une étape de mise en circulation du fluide de cycle dans le circuit de travail, le procédé comprenant en outre au moins une étape parmi : une régulation de la quantité de gaz dans la gaine, une régulation de la pression dans la gaine à une valeur déterminée, par exemple proche de la pression atmosphérique et notamment entre 0 et 2 bar, une régulation de la pression dans la gaine à une pression correspondant à la pression de la liquéfaction de l'hélium isotope 4 à la température la plus froide du cryogénérateur.
  • L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
  • D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
  • représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement possible d’un dispositif selon l’invention,
  • représente une vue simplifiée, schématique et partielle illustrant un autre exemple de structure de support d’un tel dispositif.
  • représente une vue de dessus simplifiée, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure d’un échangeur de chaleur du dispositif.
  • Le dispositif 1 de réfrigération à dilution illustré à la comprend un circuit 2 de travail en boucle contenant un fluide de cycle. Ce fluide de cycle comprend un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He).
  • Ce circuit 2 de travail forme par exemple une boucle close et comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un ensemble de conduites 12, 13, 130 une chambre 3 de mélange, un bouilleur 5 et un organe 6 de transfert (par exemple une pompe ou autre). L’ensemble de conduites du circuit 2 de travail est en particulier configuré pour relier une sortie de la chambre 3 de mélange à une entrée du bouilleur 5 et une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l’organe 6 de transfert.
  • De plus, l'ensemble de conduites du circuit 2 est en outre configuré pour relier une sortie de l’organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3. Classiquement, une portion d’échange de chaleur (non représentée par souci de simplification) peut être prévue entre les conduites à contre-courant entre la chambre 3 de mélange et le bouilleur 5.
  • Le dispositif 1 comprend en outre au moins un organe de refroidissement en échange thermique avec le circuit 2 de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle (c’est-à-dire pour le refroidir en lui fournissant de la puissance froide).
  • Un tel système à dilution permet de générer des températures très basses au niveau de la chambre 3 de mélange. Ceci peut être utilisé classiquement pour refroidir une application (schématisé par la référence 22) et qui peut notamment avoir une puissance à dissiper variable dans le temps.
  • Des températures dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin peuvent notamment être atteintes.
  • L’organe de refroidissement comprend un cryogénérateur 4, par exemple de type Gifford-McMahon ou à tube à gaz pulsé (mais tout autre appareil de production de froid cryogénique approprié peut être envisagé).
  • Le dispositif 1 comprenant un support 7, 8 et une enceinte 9 étanche.
  • L’enceinte 9 comprend par exemple une cuve étanche (typiquement en inox, aluminium, ou tout autre matériau adapté) ayant une extrémité ouverte reliée mécaniquement et de façon étanche au support 7, 8 via un soufflet 10 flexible étanche. Le flexible est par exemple formé d’ondes en inox hydroformé. Bien entendu, tout autre type de liaison amortissante et/ou filtrante de vibrations pourrait remplacer ou suppléer le soufflet 10 précité, par exemple, un soufflet à coupelles soudées ou un manchon en élastomère. Par exemple, le support comprend une base 8 horizontale en position d’utilisation qui est montée sur un premier ensemble de pieds 7, par exemple trois pieds 7.
  • Le cryogénérateur 4 est fixé sur le support 7, 8, par exemple par vissage.
  • Comme illustré, une extrémité supérieure du cryogénérateur 4 peut être montée sur la base 8 du support (de façon étanche au travers de la base 8 notamment).
  • Le dispositif 1 comprend en outre une gaine 90 étanche logée dans l’enceinte 9 et formant un volume clos étanche également.
  • Par exemple, le volume interne de l’enceinte 9 est sous vide (à une pression inférieure à la pression extérieure).
  • Par exemple, la gaine 90 comprend ou est constituée d’une cuve ou enveloppe étanche métallique. La gaine 90 est par exemple fixée à une extrémité supérieure de l’enceinte 9. Par exemple, une extrémité supérieure ouverte de la gaine 90 est suspendue ou reliée à une extrémité supérieure de l’enceinte 9 (le cas échéant via une liaison ou un élément amortissant les vibrations). Une extrémité inférieure du cryogénérateur 4 s’étend dans la gaine 90 à l’intérieur du soufflet 10 (et donc dans l’enceinte 9 qui les abrite).
  • Selon cet agencement, l’enceinte 9 et la gaine 90 (et les composants qu’elles contiennent) sont au moins partiellement isolées mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur 4 (grâce notamment au soufflet 10).
  • La chambre 3 de mélange et le bouilleur 5 peuvent être logés/montés dans une enveloppe 900 étanche située dans l’enceinte 9 et notamment dans un récipient 300 logé dans cette enveloppe 900.
  • L’organe 6 de transfert est situé en dehors de l’enceinte 9. Par exemple, le volume de l’enveloppe 900 forme un volume qui communique ou non avec le volume de la gaine 90.
  • De préférence, les volumes de l’enceinte 9, de l’enveloppe 900 et du récipient 300 sont sous vide et communiquent entre eux mais ne communiquent pas avec le volume de la gaine 90 qui est sous une atmosphère indépendante (le volume de la gaine 90 contient par exemple l’un au moins parmi : He3, He4).
  • Le circuit 2 de travail comprend une conduite 12 d’injection du fluide de cycle (qui peut être un capillaire en cupronickel ou en cuivre par exemple) reliant une sortie de l’organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3 via un passage (étanche) dans la gaine 90 et dans l’enceinte 9. La conduite 12 d’injection est en échange thermique avec le cryogénérateur 4 (qui la refroidit). Par exemple, le cryogénérateur 4 comprend des platines et/ou des échangeurs 16, 17 de refroidissement en contact avec des parties froides du cryogénérateur 4.
  • Par exemple, en configuration de fonctionnement, l’extrémité inférieure du cryogénérateur 4 dans la gaine 90 comprend une première portion 16 (premier étage) refroidie à une première température comprise par exemple entre 4 et 100K (et par exemple égale à 50K) et une seconde portion 17 (deuxième étage) refroidie à une seconde température comprise entre 2 et 8K (et par exemple égale à 4K).
  • De plus, ladite conduite 12 d’injection est découplée mécaniquement du cryogénérateur 4 et du support 7, 8 c’est-à-dire que la conduite 12 d’injection est au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur 4.
  • Ainsi, la conduite 12 d’injection n’est pas reliée ou fixée mécaniquement directement au cryogénérateur 4 ou à un élément lié au cryogénérateur 4 sans amortissement des vibrations de ce dernier. Par exemple, la conduite 12 d’injection est fixée à l’enceinte 9, sans contact avec le support 7, 8. Alternativement ou cumulativement, la conduite 12 d’injection est fixée à un élément dans la gaine 90 qui est isolé mécaniquement des vibrations du cryogénérateur 4. Par exemple, la conduite 12 d’injection traverse le support 8 sans le toucher et/ou l’enceinte 9 et/ou la gaine 90 via un passage isolé avec un ou des systèmes d’isolation vibratoires (joints, amortisseurs…). Dans la gaine 90, la conduite 12 d’injection peut être fixée à une paroi intérieure de la gaine 90 (par exemple par soudage et/ou collage) et/ou peut être suspendue dans la gaine 90. En particulier, la conduite 12 d’injection n’est pas en contact mécanique au niveau des platines 16, 17 (étage(s) froids ou échangeurs) du cryogénérateur 4.
  • La conduite 12 d’injection est thermiquement couplée, au cryogénérateur 4 grâce au gaz présent dans l’enceinte 90 qui abrite le cryogénérateur 4. On obtient ainsi un échangeur de chaleur continu permettant le pré-refroidissement efficace du mélange constituant le gaz de cycle, tout en évitant de transmettre les vibrations aux étages inférieurs du dispositif 1.
  • Comme illustré, le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle peut comprendre en outre un système de refroidissement additionnel situé en amont à l’entrée du bouilleur 5, par exemple un refroidisseur 50 du type Joule-Thompson (ou tout autre système approprié, par exemple un pot à un kelvin « 1K-pot » en anglais).
  • Le circuit 2 de travail comprend en outre comprend un ensemble de conduites 13, 130 de retour reliant une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l’organe 6 de transfert à l’extérieur de la boîte froide via un passage du gaz de cycle dans la gaine 90, le fluide de cycle débouchant et circulant dans le volume de la gaine 90 au contact (directement) de l’extrémité inférieure du cryogénérateur 4.
  • Par exemple, l’ensemble de conduites de retour comprend une première portion de conduite 13 de retour débouchant dans la gaine 90 à une extrémité inférieure de la gaine 90 pour y injecter du gaz de cycle, et une seconde portion de conduite 130 de retour ayant une extrémité inférieure communiquant avec une extrémité supérieure de la gaine 90 pour collecter le gaz de cycle.
  • L’ensemble de conduites 13, 130 de retour est également découplé mécaniquement de cryogénérateur 4 et du support 7, 8 c’est-à-dire au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur 4.
  • Ainsi, le fluide de cycle (mélange de gaz H3-He4) circule de bas en haut et échange directement avec la conduite 2 d’injection et les échangeurs de chaleur 16, 17 du cryogénérateur 4. Les échangeurs de chaleur 16, 17 sont de préférence thermalisés (c’est-à-dire refroidis) sur les étages intermédiaires à 4K et à 50K et peuvent ainsi récupérer les frigories du gaz de travail revenant du bouilleur 5 et ainsi optimiser le pré-refroidissement du fluide de travail circulant en sens inverse de haut en bas.Ainsi, l’atmosphère dans la gaine 90 entourant les échangeurs 16, 17 de chaleur n’est donc pas composée d’un gaz statique. Ceci favorise l’échange de chaleur. Ceci permet d’utiliser moins de gaz et de pouvoir descendre à des températures plus basses plus facilement (inférieures à 4K, et par exemple égales à 2,8K). Ceci est obtenu en maintenant une atmosphère gazeuse dans le volume de la gaine 90 autour de la partie froide du cryogénérateur4.
  • Alternativement, du gaz de cette atmosphère peut être liquéfié et peut former un bain en fond de gaine 90.
  • Cette structure concourt à n’avoir aucun ou peu de lien mécanique avec le cryogénérateur 4 sur les parties froides et donc aucune transmission des vibrations.
  • En outre, un seul et même type de gaz peut être utilisé pour le gaz de travail et pour cette atmosphère gazeuse dans la gaine 90.
  • L’extrémité inférieure du cryogénérateur 4 peut comprendre au moins un échangeur 17 de chaleur de refroidissement de gaz de cycle notamment de l’atmosphère dans le volume de la gaine 90. La première portion de conduite 13 de retour peut avantageusement déboucher en dessous dudit échangeur 17 de chaleur pour orienter le flux de fluide de cycle remontant au contact de cet échangeur 17 de chaleur.
  • Cet échangeur 17 de chaleur peut comprendre une structure munie de passage(s), par exemple des orifices 170 et/ou ailettes orientés selon la direction verticale pour accueillir au moins une partie du flux de gaz de cycle débouchant par la première portion 13 de conduite de retour cf. . Ceci augmente l’efficacité des échanges de chaleur entre les différentes parties (fluide notamment).
  • Par exemple, le dispositif 1 peut être configuré pour maintenir la pression dans la gaine 90 à une valeur déterminée, par exemple proche de la pression atmosphérique et notamment entre 0 et 2 bar. Par exemple, la pression cible est la pression de la liquéfaction de l'hélium à la température la plus froide du cryogénérateur 4 (par exemple 5K, 4K, 2,5K, ...).
  • Le support peut comprendre une première base 8 montée horizontalement sur un premier ensemble de pieds 7, par exemple trois pieds (système isostatique).
  • Comme schématisé à la , le support peut comprendre une seconde base 20 située sous la première base 8 et montée sur un second ensemble de pieds 21, par exemple trois pieds. Les deux extrémités du soufflet 10 peuvent être reliées respectivement aux première 8 et seconde 20 bases. La seconde base 20 est par exemple reliée à la première base 8 par le soufflet 10, l’enceinte 9 étant par exemple reliée mécaniquement à la seconde base (20).
  • Cette structure à double châssis isostatiques permet de mieux découpler les reprises d’effort et vibrations dans le dispositif 1.
  • Les ensembles 7, 8 et 20, 21 peuvent être fixés à une même surface de référence ou à deux surfaces de référence respectives différentes.
  • Des poteaux ou piliers, par exemple trois peuvent être en outre prévus en parallèle du soufflet 10 pour éviter tout dommage potentiel sur le soufflet 10 et les autres composants aussi bien lors du transport, que lors de l’installation, maintenance et fonctionnement du dispositif 1. Il est possible d’utiliser un jeu horizontal (dans le plan XY) entre chaque pilier et une bride respective pour vérifier l’alignement correcte de l’installation.
  • La suppression ou l’autorisation du jeu vertical (en Z) peuvent être prévues (mode «transport» ou mode «fonctionnement» par exemple). En mode « fonctionnement » le jeu vertical peut permettre de libérer/optimiser le travail du soufflet 10 tout en gardant une fonction de sécurité qui évite l’écrasement du soufflet 10 en cas de défaillance.
  • Le dispositif présente d’autres avantages par rapport à l’art antérieur. Ainsi, par exemple, une facilité d’entretien améliorée. En effet, il suffit de démonter (vis ou autre) à 300K pour pouvoir intervenir sur le cryogénérateur 4 sur le support, grâce à l’absence de contact mécanique entre celui-ci et les autres éléments froids du dispositif 1.
  • Le dispositif peut comporter une pompe ou un compresseur cryogénique pour la circulation du flux de fluide de travail, par exemple au niveau du premier étage froid du circuit (température par exemple à 77K ou 50K ou 4K) en plus ou en remplacement d’une pompe externe, pour augmenter la pression dans le circuit 2 de travail et maintenir un régime d’échanges thermiques plus efficaces.

Claims (14)

  1. Dispositif de réfrigération à dilution comprenant un circuit (2) de travail en boucle contenant un fluide de cycle, le fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (2) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un ensemble de conduites, une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le circuit (2) étant configuré pour relier une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l’organe (6) de transfert, le circuit (2) étant en outre configuré pour relier une sortie de l’organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le dispositif (1) comprenant en outre au moins un organe (4, 50) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (2) de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, le au moins un organe (4, 50) de refroidissement comprenant un cryogénérateur (4) par exemple de type Gifford-McMahon ou à tube à gaz pulsé, le dispositif (1) comprenant un support (7, 8), une enceinte (9) étanche, une extrémité ouverte de l’enceinte (9) étant reliée mécaniquement au support (7, 8) via un soufflet (10) flexible étanche, une extrémité supérieure du cryogénérateur (4) étant fixée sur le support (7, 8), le dispositif (1) comprenant en outre une gaine (90) étanche logée dans l’enceinte (9), une extrémité inférieure du cryogénérateur (4) s’étendant dans la gaine (90) à l’intérieur du soufflet (10) de sorte que l’enceinte (9) et la gaine (90) sont au moins partiellement isolées mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur (4), le circuit (2) de travail comprenant une conduite (12) d’injection du fluide reliant une sortie de l’organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3) via un passage étanche dans la gaine (90), la conduite (12) d’injection étant découplée mécaniquement du cryogénérateur (4) et du support, c’est-à-dire que la conduite (12) d’injection est au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur (4) et en ce que le circuit (2) de travail comprend un ensemble de conduites (13, 130) de retour reliant une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l’organe (6) de transfert à l’extérieur de l’enceinte (9) via un passage du gaz de cycle dans la gaine (90) dans lequel le fluide de cycle débouche et circule dans le volume de la gaine (90) au contact de l’extrémité inférieure du cryogénérateur (4).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite (12) d’injection est en échange thermique avec le cryogénérateur (4) ainsi qu’avec le fluide de cycle qui circule dans la gaine (90) entre la sortie du bouilleur (5) et l’entrée de l’organe (6) de transfert.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’ensemble de conduites (13, 130) de retour comprend une première portion de conduite (13) de retour débouchant dans la gaine (90) à une extrémité inférieure de la gaine (90) pour y injecter du gaz de cycle, et une seconde portion de conduite (130) de retour ayant une extrémité inférieure communiquant avec une extrémité supérieure de la gaine (90) pour collecter le gaz de cycle.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’extrémité inférieure du cryogénérateur (4) comprend au moins un échangeur (17) de chaleur de refroidissement de gaz de cycle, la première portion de conduite (13) de retour débouchant en dessous dudit échangeur (17) de chaleur pour orienter le flux de fluide de cycle injecté dans la gaine (90) au contact du au moins un échangeur (17) de chaleur.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le au moins un échangeur (17) de chaleur comprend dans son épaisseur un ou des passages (170), par exemple des orifices et/ou ailettes orientés selon la direction verticale pour accueillir au moins une partie du flux de gaz de cycle débouchant par la première portion (13) de conduite de retour.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’ensemble de conduites (13, 130) de retour est découplé mécaniquement de cryogénérateur (4) et du support (7, 8) c’est-à-dire au moins partiellement isolée mécaniquement des vibrations générées par le cryogénérateur (4).
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la conduite (12) d’injection est fixée à une paroi intérieure de la gaine (90) et/ou suspendue dans la gaine (90).
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chambre (3) de mélange et le bouilleur (5) sont montés dans une enveloppe (900) et/ou un récipient (300) situé(es) dans l’enceinte (9), l’organe (6) de transfert, étant situé en dehors de l’enceinte (9).
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, en configuration de fonctionnement, l’extrémité inférieure du cryogénérateur (4) comprend une première portion (16) refroidie à une première température comprise entre 4 et 100K et par exemple égale à 50K et une seconde portion (17) refroidie à une seconde température comprise entre 2 et 8K et par exemple égale à 4K.
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le au moins un organe de refroidissement comprend un système de refroidissement additionnel situé à l’entrée en amont du bouilleur (5), par exemple un refroidisseur (50) du type Joule-Thompson.
  11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support comprend une première base (8) montée sur un premier ensemble de pieds (7), par exemple trois pieds.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le support comprend une seconde base (20) située sous la première base (8) et montée sur un second ensemble de pieds (21), par exemple trois pieds, les deux extrémités du soufflet (10) étant reliées respectivement aux première (8) et seconde (20) bases.
  13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’enceinte (9) est reliée mécaniquement à la seconde base (20).
  14. Procédé de réfrigération à dilution utilisant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant une étape de génération de froid par le cryogénérateur (4), une étape de mise en circulation du fluide de cycle dans le circuit (2) de travail, le procédé comprenant en outre au moins une étape parmi : une régulation de la quantité de gaz dans la gaine (90), une régulation de la pression dans la gaine (90) à une valeur déterminée, par exemple proche de la pression atmosphérique et notamment entre 0 et 2 bar, une régulation de la pression dans la gaine (90) à une pression correspondant à la pression de la liquéfaction de l'hélium isotope 4 à la température la plus froide du cryogénérateur (4).
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