FR2914050A1 - Refrigerateur a basse ou tres basse temperature et procede de refrigeration - Google Patents

Abstract

Réfrigérateur à basse ou très basse température comprenant un circuit (200) de fluide (F) de réfrigération et un dispositif de refroidissement à régénération (100) du type notamment à tube pulsé, Stirling ou Gifford McMahon, utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, le dispositif de refroidissement à régénération (100) comprenant au moins un régénérateur (106, 118) comprenant au moins un étage froid (114, 134) prédéfini et couplé thermiquement au fluide (F) de refroidissement pour refroidir ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur (128) de chaleur supplémentaire en échange thermique avec une zone du régénérateur (118) distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur (118) dans une zone ayant un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 degres K environ, et un système (138, 248) de couplage thermique entre l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire et le fluide (F) du circuit (100) de réfrigération.

Description

La présente invention concerne un réfrigérateur à basse ou très basse

température et procédé de réfrigération. L'invention concerne plus particulièrement un réfrigérateur à basse ou très basse température comprenant un circuit de fluide de réfrigération et un dispositif de refroidissement à régénération du type notamment à tube pulsé, Stirling ou Gifford McMahon, utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, le dispositif de refroidissement à régénération comprenant au moins un régénérateur comprenant au moins un étage froid prédéfini et couplé thermiquement au fluide de refroidissement pour refroidir ce dernier.

L'invention concerne en particulier les procédés et dispositifs permettant d'accroître le débit de condensation et/ou de circulation d'un fluide en utilisant les propriétés de gaz non-parfait de l'hélium circulant dans une machine de refroidissement à régénération. L'invention concerne les réfrigérateurs par exemple les réfrigérateurs à dilution ou les réfrigérateurs dits à 3He ou les réfrigérateurs dits à 4He ou tout autre réfrigérateur équivalent. Les réfrigérateurs à dilution sont des systèmes couramment utilisés par exemple dans les laboratoires de recherche. Ils permettent d'atteindre de très basses températures : de l'ordre de quelques millièmes de degrés Kelvin (mK) en fonctionnement continu. La puissance froide produite par une dilution est obtenue par la circulation, dans l'appareil, d'un mélange de deux isotopes de l'hélium, 3He et 4He, dans des proportions et conditions de température et pression appropriées. La production de puissance froide par la dilution n'est possible que si le mélange 3He-4He utilisé est au préalable refroidi à une température de l'ordre de 4 K environ (0 K = -273,15 C). Jusqu'à récemment, ce pré-refroidissement était réalisé à l'aide d'un bain d'hélium liquide. Ceci nécessite de disposer d'hélium liquide avec les contraintes associées (approvisionnement, coût et difficultés d'accès pour des sites isolés). Le développement récent des machines dites à régénération (type tube pulsé ou Stirling ou Gifford) produisant des températures inférieures à 10K a permis de concevoir des réfrigérateurs à dilution n'utilisant pas de fluides cryogéniques externes (seul le mélange 3He-4He circule en boucle fermée dans l'appareil). Dans ces systèmes le mélange est pré-refroidi par la machine à régénération jusqu'à environ 4 K. Ces ensembles combinant machine à régénération et refroidisseur à dilution entrent dans la catégorie des refroidisseurs dits cryogen free coolers . Elles permettent de s'affranchir des problèmes liés à l'approvisionnement d'hélium.

Cependant, le point faible de ces appareils est que, contrairement aux systèmes utilisant un bain d'hélium, l'énergie disponible pour pré-refroidir le mélange est limitée. Si la charge thermique sur la machine à régénération est trop importante, sa température s'élève et donc celle du mélange également. En conséquence, au-delà d'un certain débit, les performances du réfrigérateur à dilution se dégradent fortement. Ces limitations de pré-refroidissement du mélange se manifestent : - pendant la phase dite de condensation du mélange, phase intervenant au début de la mise en opération d'un réfrigérateur à dilution et consistant à liquéfier le mélange 3He-4He initialement stocké à température ambiante, et pendant la phase dite de circulation, phase du fonctionnement nominal d'un réfrigérateur à dilution où le mélange circule en boucle fermée dans le système. Cette nécessité de refroidir un fluide de réfrigération (condensation/circulation) est partagée également par d'autres types de machines frigorifiques telles que - des réfrigérateurs à 3He (fonctionnant vers 300mK) pour lesquels le fluide est stocké à température ambiante est doit être condensé afin de faire fonctionner le réfrigérateur, ce fluide pouvant être ensuite mis en circulation, - des réfrigérateurs à 4He (fonctionnant vers 10K) ou liquéfacteurs à 4He (fonctionnant vers 40K) pour lesquels on cherche à liquéfier du 4He à partir de la température ambiante. L'invention s'applique de ce fait à tout autre type de réfrigérateur équivalent.

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 réfrigérateur à basse ou très basse température selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur de chaleur supplémentaire en échange thermique avec une zone du régénérateur distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur dans une zone ayant un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K environ, et un système de couplage thermique entre l'échangeur de chaleur supplémentaire et le fluide du circuit de réfrigération. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'échangeur de chaleur supplémentaire est également en échange thermique avec une zone du régénérateur distincte d'un étage froid prédéfini et dont le niveau de température de fonctionnement est compris entre 4 et 8 K environ, - l'échangeur de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange thermique direct avec le fluide de travail du dispositif de refroidissement à 15 régénération, - l'échangeur de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange thermique indirect avec le fluide de travail du dispositif de refroidissement à régénération, -l'échangeur de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange 20 thermique avec la paroi extérieure du régénérateur, - le circuit de fluide de réfrigération comprend un tube capillaire dans lequel circule le fluide de réfrigération, l'échangeur de chaleur supplémentaire comprenant une portion du tube capillaire enroulée autour de la paroi extérieure du régénérateur, 25 - le circuit de fluide de réfrigération comprend un tube capillaire dans lequel circule le fluide de réfrigération, le tube capillaire comprenant une portion enroulée autour d'un échangeur de chaleur supplémentaire en échange thermique direct ou indirect avec le fluide de travail, - l'échangeur supplémentaire comprend une première surface située au 30 niveau du régénérateur en échange thermique direct ou indirect avec le fluide de travail, ladite première surface étant couplée thermiquement à une seconde surface déportée et distante de la première surface et en échange thermique avec le tube capillaire et/ou directement avec le fluide de réfrigération, - la portion du tube capillaire enroulée comprend un enroulement multiple sur plusieurs épaisseurs, - la surface d'échange thermique directe ou indirecte entre l'échangeur de chaleur supplémentaire et la zone du régénérateur fonctionnant entre 8 et 20 K environ est supérieure à une valeur seuil comprise entre 10 et 80 cm2 environ et est de préférence de l'ordre de plusieurs dizaines de dm2, -l'échangeur de chaleur supplémentaire comprend un boîtier contenant une surface d'échange de chaleur directe ou indirecte avec le fluide de fluide de réfrigération et comprenant l'un parmi : des ailettes, des canaux, un traitement de surface interne tel qu'une poudre compactée, un frittage ou abrasion mécanique, pour augmenter localement la surface d'échange avec le fluide de réfrigération par unité de volume, le réfrigérateur est à technologie de réfrigération du type à dilution, à 3He ou à 4He, -l'échangeur de chaleur supplémentaire comprend deux demi-coquilles aptes à être montées de façon amovible ou non sur la surface extérieure du régénérateur, - la deuxième étape de refroidissement est une pré-thermalisation du fluide de réfrigération, - les première et seconde étapes de refroidissement sont simultanées, - le réfrigérateur comporte plusieurs échangeurs de chaleur supplémentaires en échange thermique la zone du régénérateur distincte d'un étage froid prédéfini et ayant un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K ou entre 4 K et 20 K.

Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de refroidissement d'un fluide de réfrigération d'un circuit de réfrigération d'un réfrigérateur à basse ou très basse température au moyen d'un dispositif de refroidissement à régénération. Ce but est atteint par le fait que le procédé de refroidissement d'un fluide de réfrigération d'un circuit de réfrigération d'un réfrigérateur à basse ou très basse température au moyen d'un dispositif de refroidissement à régénération tel que tube pulsé, Stirling ou Gifford McMahon comprenant un régénérateur utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, comprend une première étape de refroidissement du fluide de réfrigération par échange thermique entre au moins un étage froid prédéfini du dispositif de refroidissement à réfrigération, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape de refroidissement du fluide de réfrigération par échange thermique supplémentaire direct ou indirect entre d'une part une zone du régénérateur distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur à un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K environ et, d'autre part, le fluide du circuit de réfrigération. L'invention peut comporter par ailleurs l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le réfrigérateur comprend un régénérateur utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, le procédé comprenant une première étape de refroidissement du fluide de réfrigération par échange thermique entre au moins un étage froid prédéfini du dispositif de refroidissement à réfrigération, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape de refroidissement du fluide de réfrigération par échange thermique supplémentaire direct ou indirect entre d'une part une zone du régénérateur distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur à un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K environ et, d'autre part, le fluide du circuit de réfrigération, - l'échange thermique supplémentaire de la deuxième étape de refroidissement est réalisé sur le régénérateur entre un premier étage froid et un second étage moins froid du dispositif de refroidissement à réfrigération. 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 réfrigérateur selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique d'une première variante d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 illustrant un autre mode de réalisation de l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - les figure 3 à 7 représentent une vue schématique de cinq variantes supplémentaires possibles d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - la figure 8 est une vue en coupe schématique selon la ligne AA de la figure 7, - la figure 9 représente une vue schématique d'une sixième variante possible d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - la figure 10 est une vue en coupe schématique selon la ligne BB de la figure 8, - la figure 11 représente une vue schématique d'une septième variante possible d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - la figure 12 est une vue en coupe schématique selon la ligne CC de la figure 8, - la figure 13 représente une vue schématique de côté d'une huitième variante possible d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - la figure 14 est une vue de dessus de la variante de la figure 13, - la figure 15 représente une vue schématique de côté d'une neuvième variante possible d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur, - la figure 16 représente une vue schématique de côté d'une dixième variante possible d'un détail du réfrigérateur de la figure 1 pour l'échange thermique supplémentaire entre un régénérateur et le fluide de réfrigération du refroidisseur. La figure 1 représente schématiquement un réfrigérateur selon l'invention comprenant un système de refroidissement 100 (entouré en pointillés) couplé thermiquement à une boucle de réfrigération 200 d'un réfrigérateur à basse ou très basse température.

Comme représenté, le système de refroidissement 100 peut inclure classiquement un compresseur 102 en communication fluidique avec divers composants de contrôle de l'écoulement de gaz d'hélium référencé globalement 104. Les composants 104 de contrôle du flux peuvent inclure des valves, orifices, réservoirs, et analogue, pour commander l'écoulement de l'hélium gazeux par le système de refroidissement 100. Le système de refroidissement 100 comprend un premier régénérateur 106 en communication fluidique avec au moins certains des composants 104 de contrôle et avec un premier tube pulsé 108 par l'intermédiaire d'une première ligne 110. Le premier régénérateur 106 est un échangeur de chaleur qui absorbe la chaleur de l'hélium pendant une première partie d'un cycle de pression et renvoie la chaleur à l'hélium pendant une deuxième partie du cycle de pression, pour augmenter la puissance de refroidissement de l'hélium. Pour refroidir l'hélium le premier régénérateur 106 fonctionne au moyen de changements des pressions d'hélium. Généralement, le premier régénérateur 106, le premier tube pulsé 108 et la première ligne 110 de communication définissent un premier étage froid 112 du système de refroidissement 100.

Généralement, l'hélium gazeux traverse le premier régénérateur 106, la première ligne 110 de communication et transite dans le premier tube pulsé 108. Du fait que l'hélium gazeux est comprimé, la chaleur de l'hélium est déplacée d'une première extrémité 114 du premier tube pulsé 108 vers une deuxième extrémité 116 du premier tube pulsé 108 où elle est prélevée.

Typiquement, les températures de fonctionnement au niveau de la première extrémité 114 du premier tube pulsé 108 est d l'ordre de 20K ou au delà (premier étage froid). Le dispositif de refroidissement 100 comprend un deuxième régénérateur 118 en communication fluidique avec le premier étage 112 et avec un deuxième tube pulsé 120 par l'intermédiaire d'une seconde ligne 122 de communication. Le premier régénérateur 106 et le deuxième régénérateur 118 sont en série dans l'exemple de la figure 1. Bien entendu d'autres configurations peuvent être envisagées. L'hélium gazeux traverse le deuxième régénérateur 118, la seconde ligne 122 de communication et le deuxième tube pulsé 120. L'hélium est comprimé, la chaleur de cet hélium est déplacée d'une première extrémité 124 du deuxième tube pulsé 120 vers une deuxième extrémité 126 du deuxième tube pulsé 120 d'impulsion où elle est prélevée. Typiquement, les températures proches la première extrémité 124 du deuxième tube pulsé 120 peuvent se situer vers 2 K ou plus, par exemple 4 K environ (2ème étage froid 134). Pour plus de détails on pourra se référer au document US 6,915,642. L'invention ne se limite cependant pas à un tel dispositif de refroidissement à régénération mais s'applique à tout autre dispositif équivalent approprié. Le réfrigérateur (à dilution ou un réfrigérateur à 3He ou à 4He ou tout autre liquéfacteur) comprend un circuit 200 de circulation d'un fluide F de réfrigération (sens de circulation symbolisée par plusieurs flèches). Dans l'exemple représenté, le fluide F circule dans un tube capillaire depuis la température ambiante jusqu'à une enceinte 30. Le fluide F de réfrigération à pré-refroidir peut être issu d'une source extérieure (par exemple bouteille ou réserve de stockage) ou circuler en boucle fermée (représentée sur la même figure en traits pointillés) depuis l'enceinte 30 via un compresseur 31 ou tout dispositif équivalent.

C'est-à-dire que le fluide F de réfrigération peut être injecté dans le circuit 200 : - soit par injection directe à partir d'une source extérieure (partie du circuit représentée en traits continus), - soit par circulation en circuit 200 fermé en utilisant un système de compression 31 (circuit 200 comprenant les parties en traits continus et en traits pointillés). La thermalisation (refroidissement) du fluide F est obtenue par l'intermédiaire de pièces de thermalisation 20, 21 par exemple en cuivre ou tout autre conducteur en échange thermique (via deux échangeurs respectivement) avec les étages froids 112 (20 K) et 134 (4 K) prédéfinis du régénérateur 118. Par exemple, le capillaire est enroulé de sorte à fournir une surface d'échange déterminée avec les pièces 20, 21 de thermalisation (échangeurs en bon contact thermique avec les points froids de la machine à régénération 118). Selon l'invention, le réfrigérateur comprend au moins un niveau de thermalisation (refroidissement) supplémentaire du fluide F par échange thermique avec une zone du régénérateur 118 fonctionnant à des températures comprises par exemple entre 4 K et 20 K. Cette thermalisation (refroidissement) supplémentaire du fluide F est réalisée au moyen d'un troisième échangeur 128 comprenant une partie en échange thermique direct (contact) avec l'hélium du régénérateur 118 du dispositif de refroidissement 100. Ce troisième échangeur 128 (encore appelé échangeur supplémentaire ou intercept ) est couplé thermiquement via un organe de couplage 138 avec un échangeur (pièce en cuivre 248 ou équivalent sur laquelle est enroulée le tube capillaire du circuit 200). De préférence l'échangeur supplémentaire 128 est couplé sur le régénérateur au niveau de sa partie ayant une température de fonctionnement comprise entre 8 K et 20 K. Cependant, de façon avantageuse selon un aspect possible de l'invention, l'échangeur supplémentaire 128 peut également prélever du froid sur le régénérateur 118 dans une zone de température inférieure à 8 K. Cette dernière possibilité semble contredire le phénomène physique attendu (la puissance liée à l'hélium en tant que gaz non-parfait n'est en principe disponible uniquement dans la gamme 8 K-20 K). Cependant, la demanderesse a constaté que du froid peut également être prélevé dans cette zone de température inférieure à 8 K sans affecter les performances de l'ensemble. Ainsi, l'échangeur supplémentaire 128 peut fournir un refroidissement supplémentaire au fluide en prélevant ce froid sur le régénérateur 118 dans la zone 8 K-20 K ou dans une gamme élargie 4 K-20 K sans affecter la performance du deuxième étage froid 134. Bien entendu la présence de plusieurs échangeurs supplémentaires ou intercepts dans la gamme 8 K-20 K (ou la gamme élargie 4 K-20 K) permet d'améliorer les performances du réfrigérateur en fonction des besoins. Il est possible par exemple d'utiliser plusieurs échangeurs supplémentaires dans la gamme en vue de minimiser la charge thermique sur le deuxième étage froid ou encore pour assurer le refroidissement d'autres éléments que le fluide de réfrigération (ce ou ces éléments supplémentaires étant refroidis avec le même échangeur supplémentaire que le fluide ou un échangeur supplémentaire distinct dédié). Par exemple, avec un premier échangeur supplémentaire placé à 18 K, en ajoutant un deuxième échangeur supplémentaire à une température de 4,8 K on divise par dix la puissance sur le second étage froid du système (le deuxième étage froid étant à une température de 3,5 K), tout en conservant le même débit de condensation/circulation.

Par exemple, lorsqu'on veut liquéfier de l'hélium: si le premier étage froid est à 60 K, on préfèrera utiliser un premier échangeur supplémentaire situé vers 20 K puis de ce premier échangeur supplémentaire à 20 K vers un deuxième échangeur supplémentaire vers 8 K et enfin de ce deuxième échangeur supplémentaire à 8 K jusqu'au deuxième étage froid à 4 K. De la sorte, les écarts de température entre deux niveaux de température sont minimisés. Comme représenté à la figure 2, en variante, l'échangeur de chaleur 128 supplémentaire peut prélever le froid sur le régénérateur 118 à l'extérieur du régénérateur 118 (sur sa paroi externe). C'est à dire que dans la variante schématique de la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 uniquement en ce que l'échangeur 128 de chaleur supplémentaire est positionné à l'extérieur du régénérateur 118, sans contact direct avec l'hélium circulant dans ce dernier. Par exemple l'échangeur 128 peut comprendre deux demi-coquilles rapportées et venant enserrer le tube régénérateur 118 (décrit plus en détail ci- après). La figure 3 présente schématiquement une seconde variante dans laquelle le fluide F de réfrigération est mis en échange thermique avec le régénérateur 18 sans échangeur de chaleur intermédiaire. Par exemple le tube capillaire qui transporte le fluide F de réfrigération est enroulé autour du régénérateur 118 dans la zone d'intérêt (8 K-20 K ou 4 K-20 K) du régénérateur 118. En variante, un boîtier étanche peut être disposé directement autour du régénérateur 118 (dans la zone d'intérêt), le fluide de réfrigération F étant forcé à circuler dans ce boîtier pour se refroidir. Dans l'exemple de la figure 4 le tube capillaire est enroulé sur tout ou partie de la longueur du régénérateur 118 entre les étages froid 134 et chaud 112 de ce dernier. Cette méthode peut améliorer les performances du système, mais pas de manière significative car selon l'invention l'échange thermique supplémentaire est réalisé essentiellement dans la zone d'intérêt (8 K-20 K ou 4 K-20 K) définie ci-dessus.

Le fluide F de réfrigération circule généralement dans un capillaire de petite dimension (typiquement l mm de diamètre environ). Ce tube capillaire peut être mis en contact en contact (collage, simple enroulement, brasage ou autre) avec le tube régénérateur 118 sur tout ou partie de la hauteur de ce tube. Selon l'invention cependant, l'échange thermique est dimensionné pour assurer un échange de chaleur déterminé essentiellement dans la zone d'intérêt 8 K-20 K ou 4 K-20 K. Une surface minimale d'échange entre le fluide F de réfrigération et la source froide 118 (zone d'intérêt) peut être par exemple de quelques dizaines de cm2. Cependant, l'échange thermique entre le fluide F de réfrigération et la source froide n'est pas fonction uniquement de la surface de contact ou d'échange, mais également du coefficient d'échange convectif. Ce coefficient dépend notamment de la nature de l'écoulement du fluide F.

L'homme du métier saura dimensionner cette surface ou échange thermique dans la zone d'intérêt du régénérateur 118 en fonction des applications. Dans certains cas par exemple, une surface d'échange de l'ordre de plusieurs dm2 peut être nécessaire. Bien entendu plus la surface d'échange est importante, meilleur sera le prélèvement de ce froid supplémentaire sur le régénérateur 118. Dans la représentation de la figure 5 le tube capillaire est enroulé (une couche) autour d'une pièce conductrice 128 en échange thermique direct ou indirect avec le fluide du régénérateur (cas pouvant être identique à celui de la figure 1).

Dans la variante de la figure 6 le tube capillaire est enroulé (sur plusieurs couches) autour d'une pièce conductrice 248 en échange thermique direct ou indirect avec le fluide du régénérateur ou directement autour de la zone d'intérêt du régénérateur 118. Dans la variante des figures 7 et 8 est illustré un moyen d'augmenter la 25 surface d'échange thermique entre le fluide F de réfrigération et la source froide (zone d'intérêt du régénérateur 118). La surface d'échange de chaleur de l'échangeur 128 est augmentée au niveau de la structure de l'échangeur, par exemple par usinage. Dans ce type de montage le fluide F de réfrigération est mis en contact avec une pièce usinée 128 30 (ou un ensemble de pièces usinées puis assemblées) généralement de bonne conductivité thermique (cuivre, aluminium, ou équivalent) et présentant une grande surface de contact (direct ou indirect) avec le fluide du régénérateur 118. On peut ainsi utiliser un système de canaux parallèles ou des grilles superposées ou encore des ailettes, ou équivalent. Dans ce cas de figure la surface de contact entre le fluide F de réfrigération et la pièce de thermalisation correspond à peu près à la surface libre de la pièce de thermalisation. La pièce de thermalisation (échangeur) est donc en général une pièce d'un volume non négligeable (par exemple quelques cm3 au minimum). Dans la forme de réalisation des figures 9 et 10 la thermalisation du fluide F de réfrigération est réalisée dans un échangeur de chaleur 128 (en échange thermique direct ou indirect avec le fluide du régénérateur 118) muni d'un traitement interne 208, par exemple une poudre compactée (frittée) ou une abrasion mécanique spécifique. Dans ce cas de figure, la surface d'échange avec le fluide F de réfrigération est bien plus importante que la surface libre de l'échangeur 128 car la surface traitée présente des surfaces d'échange qui peuvent dépasser plusieurs m2 pour quelques cm2 de surface libre.

La pièce 128 dans laquelle circule le fluide F de réfrigération peut donc être très compacte. Plusieurs géométries peuvent être envisagées. Dans l'exemple des figures 9 et 10 l'échangeur 128 a la forme d'un tube muni d'un traitement 208 et orienté longitudinalement par rapport à un sens de circulation du fluide F. Dans l'exemple des figures 11 et 12 l'échangeur 128 a la forme d'un tube muni d'un traitement 208 et orienté transversalement par rapport à un sens de circulation du fluide F. La combinaison des différents modes d'échange thermique (thermalisation) avec l'obtention de couplages efficaces dans la zone d'intérêt du régénérateur 118 permet d'envisager de nombreuses possibilités.

Dans l'exemple des figures 13 et 14 le fluide F de réfrigération est thermalisé efficacement sur une pièce cylindrique 1128 (par exemple en cuivre) à l'aide de nombreux tours de capillaires. Cette pièce de thermalisation 1128 est reliée à la source froide (zone d'intérêt du régénérateur 118) par un jeu de pièces mécaniques assurant le couplage thermique. Par exemple deux demi-coquilles en cuivre sont serrées autour du tube 118 régénérateur dans la zone d'intérêt 4 K-20 K ou 8 K-20 K). Il s'agit d'un système sans contact direct avec l'hélium circulant à l'intérieur du régénérateur 118.

Dans l'exemple de la figure 15 le fluide F de réfrigération est thermalisé efficacement dans une boîte 3128 dont la surface interne est suffisamment importante ou peut être traitée pour augmenter la surface d'échange). Cette boîte 3128 est en contact (par exemple par brasure) avec l'intercept ou échangeur 128 qui est en contact direct avec la source froide 118. Il s'agit d'un système avec contact direct avec l'hélium circulant àl'intérieur du régénérateur 118. Dans l'exemple de la figure 16 le fluide F de réfrigération est thermalisé efficacement via de nombreux tours de tube capillaire directement autour du régénérateur 118. La surface d'échange thermique est concentrée dans la zone d'intérêt. Il s'agit d'un système sans contact direct avec l'hélium circulant à l'intérieur du régénérateur 118.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Réfrigérateur à basse ou très basse température comprenant un circuit (200) de fluide (F) de réfrigération et un dispositif de refroidissement à régénération (100) du type notamment à tube pulsé, Stirling ou Gifford McMahon, utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, le dispositif de refroidissement à régénération (100) comprenant au moins un régénérateur (106, 118) comprenant au moins un étage froid (114, 134) prédéfini et couplé thermiquement au fluide (F) de refroidissement pour refroidir ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur (128) de chaleur supplémentaire en échange thermique avec une zone du régénérateur (118) distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur (118) dans une zone ayant un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K environ, et un système (138, 248) de couplage thermique entre l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire et le fluide (F) du circuit (100) de réfrigération.

2. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire est également en échange thermique avec une zone du régénérateur (106) distincte d'un étage froid prédéfini et dont le niveau de température de fonctionnement est compris entre 4 et 8 K environ.

3. Réfrigérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange thermique direct avec le fluide de travail du dispositif de refroidissement à régénération (100, 118).

4. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange thermique indirect avec le fluide de travail du dispositif de refroidissement à régénération (100, 118).

5. Réfrigérateur selon la revendication 4, caractérisé en en que l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire comprend une portion en échange thermique avec la paroi extérieure du régénérateur (118).

6. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit (200) de fluide (F) de réfrigération comprend un tube capillaire dans lequel circule le fluide (F) de réfrigération, l'échangeur de chaleur (128) supplémentaire comprenant une portion du tube capillaire (200) enroulée autour de la paroi extérieure du régénérateur (118).

7. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit (200) de fluide (F) de réfrigération comprend un tube capillaire dans lequel circule le fluide (F) de réfrigération, le tube capillaire (200) comprenant une portion enroulée autour d'un échangeur de chaleur supplémentaire (248) en échange thermique direct ou indirect avec le fluide de travail.

8. Réfrigérateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'échangeur (128) supplémentaire comprend une première surface (2128) située au niveau du régénérateur (106, 118) en échange thermique direct ou indirect avec le fluide de travail, ladite première surface (2128) étant couplée thermiquement à une seconde surface (1128) déportée et distante de la première surface et en échange thermique avec le tube capillaire (200) et/ou directement avec le fluide (F) de réfrigération.

9. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la portion du tube capillaire (200) enroulée comprend un enroulement multiple sur plusieurs épaisseurs.

10. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface d'échange thermique directe ou indirecte entre l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire et la zone du régénérateur (106) fonctionnant entre 8 et 20 K environ est supérieure à une valeur seuil comprise entre 10 et 80 cm2 environ et est de préférence de l'ordre de plusieurs dizaines de dm2.

11. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'échangeur (128) de chaleur supplémentaire comprend un boîtier contenant une surface d'échange de chaleur directe ou indirecte avec le fluide de fluide (F) de réfrigération et comprenant l'un parmi : des ailettes, des canaux, un traitement de surface interne tel qu'une poudrecompactée, un frittage ou abrasion mécanique, pour augmenter localement la surface d'échange avec le fluide (F) de réfrigération par unité de volume.

12. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est à technologie de réfrigération du type à dilution, à 3He ou à 4He.

13. Procédé de refroidissement d'un fluide (F) de réfrigération d'un circuit (200) de réfrigération d'un réfrigérateur à basse ou très basse température au moyen d'un dispositif de refroidissement à régénération (100) tel que tube pulsé, Stirling ou Gifford McMahon comprenant un régénérateur utilisant un fluide de travail tel que l'Hélium pour produire du froid, le procédé comprenant une première étape de refroidissement du fluide (F) de réfrigération par échange thermique entre au moins un étage froid (114, 134) prédéfini du dispositif de refroidissement à réfrigération (100), caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape de refroidissement du fluide (F) de réfrigération par échange thermique supplémentaire direct ou indirect entre d'une part une zone du régénérateur (118) distincte d'un étage froid prédéfini et située sur le régénérateur à un niveau de température de fonctionnement compris entre 8 et 20 K environ et, d'autre part, le fluide (F) du circuit (100) de réfrigération.

14. Procédé de refroidissement selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'échange thermique supplémentaire de la deuxième étape de refroidissement est réalisée sur le régénérateur (118) entre un premier étage froid (114, 134) et un second étage moins froid du dispositif de refroidissement à réfrigération (100).25