WO2009066044A4 - Dispositif et procede de refrigeration cryogenique - Google Patents

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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 oules 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.

Claims

REVENDICATIONS MODIFIÉES reçues par le Bureau international le 20 juillet 2009 (20.07.2009)
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, caractérisé en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101 , 102,
103, 104, 105, 106) et la ou les turbines (9, 11, 13) de détente sont 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, et en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101 , 102, 103, 104, 105, 106) sont du type à compression centrifuge, et en ce que la ou les turbines (9, 11, 13, 116, 111) de détente sont du type à détente centripète, et en ce que 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 les compresseurs (7, 5, 3, 101 , 102, 103, 104, 105,
106) et les turbines (9, 11, 13, 116, 111), et 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. 16
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit de travail comprend un volume formant une capacité tampon de stockage du fluide de travail.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, 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.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre d'étages de compression est supérieur au nombre d'étages de détente.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur (70, 107, 112, 114, 109) dont au moins l'une des extrémités de l'arbre de sortie entraîne en rotation par accouplement direct au moins deux roues (roues de compresseur et/ou roues de turbine).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur dont une extrémité de son arbre de sortie entraîne en rotation par accouplement direct deux roues compresseur, l'autre extrémité de l'arbre de sortie entraînant en rotation par accouplement direct une roue de turbine.
7. 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 17 fluide dans la portion de détente par réchauffement du fluide détendu en sortie de turbine, et une quatrième étape de réchauffement sensiblement isobare du fluide ayant échangé thermiquement avec la source froide (15), le cycle de travail du fluide (température T, entropie S) étant du type Ericsson inverse, lors de la première étape de compression sensiblement isotherme, le fluide comprimé est refroidit en sortie de chaque compresseur (7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque compresseur sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 10 K, lors de la troisième étape de détente sensiblement isotherme le fluide détendu étant refroidi en sortie de chaque turbine (9, 11 , 13, 116, 111) pour maintenir les températures du fluide en entrée et en sortie de chaque turbine (9, 11 , 13, 116, 111) sensiblement égales et de préférence dans une fourchette d'environ 5 K, caractérisé en ce que les compresseurs (7, 5, 3, 101 , 102, 103, 104, 105, 106) et la ou les turbines (9, 11 , 13, 116, 111) de détente sont 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 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), et 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 les compresseurs et turbines, et 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 traniste à contre- courant selon qu'il est refroidi ou réchauffé.
8. Procédé selon la revendication 7, 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, 18
106) trois fois plus important que le nombre de turbines (9, 11 , 13, 116, 111) de détente.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, 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.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la chute de température du fluide constituant la source froide (15) est sensiblement identique à l'augmentation de température du gaz de travail dans des échangeurs (110, 10, 12, 14) de chaleur du circuit
(200) de travail.
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