FR2924205A1 - Dispositif et procede de refrigeration cryogenique - Google Patents

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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dispositif de réfrigération cryogénique 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. 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, 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. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les compresseurs sont du type à compression centrifuge, - la ou les turbines de détente sont du type à détente centripète, - 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, 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 et en ce que le circuit de travail comprend un nombre de compresseurs trois fois plus important environ que le nombre de turbines de détente, - 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 25 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 30 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).
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.25

Claims (12)

REVENDICATIONS
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, les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et la ou les turbines (9, 11, 13) de détente étant entraînés par 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.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) sont du type à compression centrifuge.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente sont du type à détente centripète.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les arbres (71) de sortie des moteurs (70, 107, 112, 114, 109) sont montés sur des paliers (171) de type magnétique ou de type dynamique à gaz, lesdits paliers (171) étant utilisés pour sustenter lescompresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et les turbines (9, 11, 13, 116, 111).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 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.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de travail comprend un volume formant une capacité tampon de stockage du fluide de travail.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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.
8. 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, 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, lefluide 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 .
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lors de la troisième étape de détente sensiblement isotherme le fluide détendu est refroidit 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, les compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) et la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente sont entraînée par 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 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).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, 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 et en ce que le circuit (200) de travail comprend un nombre de compresseurs (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) trois fois plus important environ que le nombre de turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 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.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 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 dugaz de travail dans des échangeurs (110, 10, 12, 14) de chaleur du circuit (200) de travail.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11156388B2 (en) 2016-02-08 2021-10-26 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cryogenic refrigeration device

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2951815B1 (fr) * 2009-10-27 2012-09-07 Technip France Procede de fractionnement d'un courant de gaz craque pour obtenir une coupe riche en ethylene et un courant de combustible, et installation associee.
WO2011057112A1 (fr) 2009-11-06 2011-05-12 Akebia Therapeutics Inc. Procédés pour augmenter la stabilisation du facteur inductible par l'hypoxie 1-alpha
DE102011013345A1 (de) * 2011-03-08 2012-09-13 Linde Aktiengesellschaft Kälteanlage
FR2977015B1 (fr) * 2011-06-24 2015-07-03 Saipem Sa Procede de liquefaction de gaz naturel a triple circuit ferme de gaz refrigerant
FR2977014B1 (fr) 2011-06-24 2016-04-15 Saipem Sa Procede de liquefaction de gaz naturel avec un melange de gaz refrigerant.
FR2980564A1 (fr) * 2011-09-23 2013-03-29 Air Liquide Procede et installation de refrigeration
FR2981982B1 (fr) * 2011-10-28 2013-11-01 IFP Energies Nouvelles Procede de controle d'un circuit ferme fonctionnant selon un cycle rankine et circuit utilisant un tel procede
US9234480B2 (en) 2012-07-04 2016-01-12 Kairama Inc. Isothermal machines, systems and methods
US10072665B1 (en) 2012-12-27 2018-09-11 Ronald E. Graf Multistage compressors and reverse compressors comprising a series of centrifugal pumps alternating flow toward and away from axle with better flow transitions between stages
US20140186170A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 Ronald E. Graf Centrifugal Expanders And Compressors Each Using Rotors In Both Flow Going From Periphery To Center And Flow Going From Center To Periphery Their Use In Engines Both External Heat And Internal Combustion. Means to convert radial inward flow to radial outward flow with less eddy currents
FR3014543B1 (fr) * 2013-12-06 2018-11-09 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procede de refroidissement et/ou de liquefaction a basse temperature
CN106121743B (zh) * 2016-08-18 2017-07-14 开封空分集团有限公司 一种液体向心透平能量回收装置
FR3055692B1 (fr) * 2016-09-06 2018-08-24 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Installation, procede pour stocker et reliquefier un gaz liquefie et vehicule de transport associe
IT201600109378A1 (it) * 2016-10-28 2018-04-28 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Sistema di liquefazione di gas naturale comprendente un turbocompressore con moltiplicatore integrato
EP3596415A4 (fr) * 2017-03-14 2020-07-22 Woodside Energy Technologies Pty Ltd Unité de liquéfaction de gnl conteneurisée et procédé associé de production de gnl
CN107477898A (zh) * 2017-08-11 2017-12-15 北京理工大学 一种多级串联式大型低温制冷系统
FR3072160B1 (fr) * 2017-10-09 2019-10-04 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procede de refrigeration
CN108775723A (zh) * 2018-06-27 2018-11-09 芜湖盘云石磨新能源科技有限公司 一种二氧化碳制冷装置
JP7141342B2 (ja) * 2019-01-31 2022-09-22 大陽日酸株式会社 極低温流体循環式冷却システム及び極低温流体循環式冷却方法
JP6926153B2 (ja) * 2019-07-03 2021-08-25 大陽日酸株式会社 超電導体の冷却装置及び超電導体の冷却方法
FR3098574B1 (fr) * 2019-07-10 2021-06-25 Air Liquide Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction
FR3099820B1 (fr) * 2019-08-05 2022-11-04 Air Liquide Dispositif et installation de réfrigération
FR3099818B1 (fr) * 2019-08-05 2022-11-04 Air Liquide Dispositif de réfrigération et installation et procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction
US20230296294A1 (en) * 2020-08-12 2023-09-21 Cryostar Sas Simplified cryogenic refrigeration system
KR102458455B1 (ko) 2020-11-03 2022-10-26 한국기계연구원 터보기계용 진공 중공축 제작장치, 상기 제작장치를 이용하여 터보기계용 진공 중공축을 제작하는 방법, 상기 방법에 의해 제작된 진공 중공축을 구비한 터보기계
FR3119667B1 (fr) * 2021-02-10 2023-03-24 Air Liquide Dispositif et procédé de liquéfaction d’un fluide tel que l’hydrogène et/ou de l’hélium

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3494145A (en) * 1968-06-10 1970-02-10 Worthington Corp Integral turbo compressor-expander system for refrigeration
DE2440215A1 (de) * 1974-08-22 1976-03-04 Linde Ag Verfahren zum verfluessigen und unterkuehlen eines tiefsiedenden gases
JPS6079125A (ja) * 1983-10-05 1985-05-04 Kiichi Taga 等温圧縮機を利用するクロ−ズドサイクル動力伝達方式
US4984432A (en) * 1989-10-20 1991-01-15 Corey John A Ericsson cycle machine
WO1992015774A1 (fr) * 1991-03-01 1992-09-17 Sinvent A/S Systemes thermodynamiques, y compris les machines du type a engrenages, pour la compression ou la detente des gaz ou vapeurs
US5473899A (en) * 1993-06-10 1995-12-12 Viteri; Fermin Turbomachinery for Modified Ericsson engines and other power/refrigeration applications
US5590528A (en) * 1993-10-19 1997-01-07 Viteri; Fermin Turbocharged reciprocation engine for power and refrigeration using the modified Ericsson cycle
JP2001041598A (ja) * 1999-07-30 2001-02-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多段圧縮冷凍機

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL287922A (fr) * 1962-02-12
FR2165729B1 (fr) * 1971-12-27 1976-02-13 Technigaz Fr
GB1510629A (en) * 1974-08-08 1978-05-10 Penny Turbines Ltd N Centrifugal compressor or centripetal turbine
US3992167A (en) * 1975-04-02 1976-11-16 Union Carbide Corporation Low temperature refrigeration process for helium or hydrogen mixtures using mixed refrigerant
JPS6251723A (ja) * 1985-08-29 1987-03-06 Isuzu Motors Ltd 超高速電動−発電機
GB8625391D0 (en) * 1986-10-23 1986-11-26 Crane Packing Ltd Mechanical face seals
JPH03286968A (ja) * 1990-03-31 1991-12-17 Aisin Seiki Co Ltd 極低温冷凍装置
JPH0781754B2 (ja) * 1990-06-28 1995-09-06 新技術事業団 冷凍機
FR2679635B1 (fr) * 1991-07-26 1993-10-15 Air Liquide Circuit de compression d'un fluide gazeux a basse pression et a basse temperature.
US5248239A (en) * 1992-03-19 1993-09-28 Acd, Inc. Thrust control system for fluid handling rotary apparatus
US5310311A (en) * 1992-10-14 1994-05-10 Barber-Colman Company Air cycle machine with magnetic bearings
US5495718A (en) * 1994-01-14 1996-03-05 Pierce; James G. Refrigeration of superconducting magnet systems
JPH09329034A (ja) * 1996-06-11 1997-12-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 閉サイクルガスタービン
JP3928230B2 (ja) * 1997-12-01 2007-06-13 石川島播磨重工業株式会社 冷凍機用の回転機械
US6354087B1 (en) * 1998-05-22 2002-03-12 Sumitomo Electric Industries, Ltd Method and apparatus for cooling superconductor
GB0001801D0 (en) * 2000-01-26 2000-03-22 Cryostar France Sa Apparatus for reliquiefying compressed vapour
JP2003148824A (ja) * 2001-11-13 2003-05-21 Daikin Ind Ltd 空気調和装置
CA2373905A1 (fr) * 2002-02-28 2003-08-28 Ronald David Conry Compresseur centrifuge double
US6948314B2 (en) * 2003-09-12 2005-09-27 Honeywell International, Inc. High response, compact turbocharger
WO2006011248A1 (fr) * 2004-07-30 2006-02-02 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Appareil de refroidissement par réfrigération de l’air et système de froid connexe par réfrigération de l’air
JP4335115B2 (ja) * 2004-10-20 2009-09-30 鹿島建設株式会社 空気冷媒式冷凍装置
CN2795751Y (zh) * 2005-04-21 2006-07-12 北京航空航天大学 高速电机驱动的高效空气制冷机
CN1952529A (zh) * 2005-10-19 2007-04-25 周凌云 制冷装置及其制冷方法
JP2007162724A (ja) * 2005-12-09 2007-06-28 Ntn Corp モータ一体型磁気軸受装置
US7723883B2 (en) * 2005-12-09 2010-05-25 Ntn Corporation Motor built-in magnetic bearing device
JP4779741B2 (ja) * 2006-03-22 2011-09-28 株式会社日立製作所 ヒートポンプシステム，ヒートポンプシステムの軸封方法，ヒートポンプシステムの改造方法
JP4779761B2 (ja) * 2006-03-30 2011-09-28 株式会社ジェイテクト 燃料電池用圧縮機
JP2007303792A (ja) * 2006-05-15 2007-11-22 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3494145A (en) * 1968-06-10 1970-02-10 Worthington Corp Integral turbo compressor-expander system for refrigeration
DE2440215A1 (de) * 1974-08-22 1976-03-04 Linde Ag Verfahren zum verfluessigen und unterkuehlen eines tiefsiedenden gases
JPS6079125A (ja) * 1983-10-05 1985-05-04 Kiichi Taga 等温圧縮機を利用するクロ−ズドサイクル動力伝達方式
US4984432A (en) * 1989-10-20 1991-01-15 Corey John A Ericsson cycle machine
WO1992015774A1 (fr) * 1991-03-01 1992-09-17 Sinvent A/S Systemes thermodynamiques, y compris les machines du type a engrenages, pour la compression ou la detente des gaz ou vapeurs
US5473899A (en) * 1993-06-10 1995-12-12 Viteri; Fermin Turbomachinery for Modified Ericsson engines and other power/refrigeration applications
US5590528A (en) * 1993-10-19 1997-01-07 Viteri; Fermin Turbocharged reciprocation engine for power and refrigeration using the modified Ericsson cycle
JP2001041598A (ja) * 1999-07-30 2001-02-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多段圧縮冷凍機

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11156388B2 (en) 2016-02-08 2021-10-26 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cryogenic refrigeration device

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EP3561411A1 (fr) 2019-10-30
KR20100099129A (ko) 2010-09-10

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