WO2021165042A1 - Dispositif et procédé de réfrigération à dilution - Google Patents

Dispositif et procédé de réfrigération à dilution Download PDF

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WO2021165042A1
WO2021165042A1 PCT/EP2021/052495 EP2021052495W WO2021165042A1 WO 2021165042 A1 WO2021165042 A1 WO 2021165042A1 EP 2021052495 W EP2021052495 W EP 2021052495W WO 2021165042 A1 WO2021165042 A1 WO 2021165042A1
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dilution
refrigeration device
working
fluid
pipes
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/052495
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Simon CRISPEL
Alain Ravex
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Priority to FIEP21702045.2T priority patent/FI4107450T3/fi
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    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface

Definitions

  • the invention relates to a dilution refrigeration device and method.
  • the invention relates more particularly to a dilution refrigeration device for obtaining very low temperatures, in particular in the range between one milliKelvin and one hundred milliKelvin, comprising a loop working circuit containing a cycle fluid comprising a mixture of isotope 3 helium and isotope 4 helium, the working circuit comprising, arranged in series and fluidly connected via a first set of conduits, a mixing chamber, a boiler and a transfer member, the first set of pipes being configured to transfer cycle fluid from an outlet of the mixing chamber to an inlet of the boiler and from an outlet of the boiler to an inlet of the transfer member, the working circuit comprising a second assembly pipe connecting an outlet of the transfer member to an inlet of the mixing chamber, the working circuit comprising at least a first heat exchange portion between at least one e part of the first pipe assembly and the second pipe assembly, the first heat exchange portion being located between the boiler and the mixing chamber, the device further comprising at least one cooling member in heat exchange with the circuit working and configured to transfer frig
  • Quantum phenomena give rise to theoretical and technological developments likely to implement them to perform operations (“quantum computing”) for the development of supercomputers (for example performing a billion billion calculations every second) by manipulating "qubits" »Superconductors at temperatures close to milliKelvin or silicon-based at a few hundred milliKelvin.
  • the traditional means of obtaining refrigeration power at temperatures of the order of milliKelvin to hundreds of milliKelvin is the refrigerator diluting helium6 in helium4.
  • 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 it comprises at least one cryogenic pumping member located in the working circuit. between the boiler and the transfer unit.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics: the transfer member comprises a compressor for the cycle fluid, the transfer member comprises a heat exchanger, the at least one cryogenic pumping member is located in the first set of pipes of the working circuit, in the operating configuration of the heating device.
  • the cycle fluid being admitted at a cryogenic temperature, in particular between 0.5K and 80K
  • the at least one cryogenic pumping member is configured to pump the cycle fluid having an inlet pressure of between 0.01mbar and 100mbar
  • the device comprises a second heat exchange portion between at least part of the first pipe assembly and the second pipe assembly and located between the boiler and the transfer member, the at least one cryogenic pumping member being located between the second heat exchange portion and the boiler and / or between the second heat exchange portion and the transfer member
  • the at least one cooling member isme comprises a cooling apparatus in heat exchange with the second assembly of pipes between the transfer member and the mixing member, the cooling member being configured to cool the cycle fluid of the dilution refrigeration device
  • the device comprises a heat exchange portion between the second pipe assembly and the boiler
  • the at least one cooling member comprises a cryogenic refrigerator comprising a working circuit forming a loop and containing a working fluid comprising helium, the working circuit forming a cycle comprising in series: a working fluid compression mechanism, a working fluid
  • 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 schematic and partial view illustrating a first example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 2 represents a schematic and partial view illustrating a second example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 3 represents a schematic and partial view illustrating a third example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 4 represents a schematic and partial view illustrating a fourth example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 5 represents a schematic and partial view illustrating a fifth example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 6 represents a schematic and partial view illustrating a detail of a sixth example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 7 is a schematic and partial view illustrating another detail of the sixth example of the structure and operation of a refrigeration device according to the invention.
  • FIG. 8 shows another simplified view of the fourth example of structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 9 shows another simplified view of the fifth example of structure and operation of a refrigeration device according to the invention.
  • the dilution refrigeration device 1 shown in [Fig. 1] comprising a loop working circuit 20 containing a cycle fluid comprising a mixture of isotope 3 helium (“3He” or “helium 3”) and isotope 4 helium (“4He” or “helium 4 ”).
  • This working circuit 20 comprises, arranged in series and fluidly connected via a first set of conduits 2, 4, a mixing chamber 3, a boiler 5 and a transfer member 6.
  • the first set of pipes 2, 4 is configured to transfer cycle fluid from an outlet of the mixing chamber 3 to an inlet of the boiler 5 and from an outlet of the boiler 5 to an inlet of the transfer member 6. .
  • the working circuit 20 comprises a second assembly of pipes 7 connecting an outlet of the transfer member 6 to an inlet of the mixing chamber 3.
  • the boiler 5 (or evaporator) conventionally provides phase separation between helium 3 and helium 4 (the bath, which for example contains 1 mol% of helium 3 is for example at a temperature between 0.7 and 1K).
  • the boiler 5 supplies the helium transfer member 6 3 via the first assembly 4 of pipes.
  • the temperature may be of the order, for example, of 5 to 300 mK and in particular between 5 and 150 mK.
  • the concentrated liquid helium 3 returned by the transfer member 6 to the mixing chamber 3 can be located in the upper part of this chamber 3, above a dilute liquid phase (containing for example 6 to 7% of helium 3).
  • One end of the first pipe assembly 7 opens, for example, into this upper concentrated phase.
  • the injected concentrated helium 3 phase is diluted in the diluted phase; it is this endothermic dilution process which produces the cooling capacity at the temperature of mixing chamber 3.
  • the cold produced can be used to cool a user (symbolized by the reference 24 in [Fig. 1]).
  • the working circuit 20 comprises at least a first portion 9 of heat exchange between at least part of the first set of pipes 2, 4 and the second set of pipes 7.
  • the first portion 9 of heat exchange is located between the boiler 5 and the mixing chamber 3.
  • This heat exchange portion 9 uses, for example, at least one counter-current heat exchanger which makes it possible to pre-cool the phase concentrated in Helium3 reinjected into the mixing box 3 by the diluted helium3 phase which rises from this box 5. mixing to the boiler 5.
  • the transfer member 6 comprises for example a compressor for the cycle fluid.
  • this compressor 6 operates at ambient temperature (for example outside a cold box 29 which contains the rest of the device). That is to say that this compressor 6 can be at a non-cryogenic temperature in the operating configuration of the dilution refrigeration device 1.
  • the device 1 further comprises at least one cooling member 22 in thermal exchange with the working circuit 20 and configured to transfer frigories to the cycle fluid, that is to say to cool the cycle fluid.
  • the cooling member 22 comprises a heat exchange with the working circuit 20 (second pipe assembly 7) to cool the fluid at the outlet of the transfer member 6 (for example at 1.3 to 1, 4K).
  • the working circuit 20 further comprises a cryogenic pumping member 8 located between the boiler 5 and the transfer member 6.
  • the device 1 therefore comprises at least one thermally insulated cold box 29 which contains all or part of the cold components (cryogenic of the device 1).
  • the pumping member 8 is located in the cold box 29.
  • This cryogenic pumping member 8 thus preferably operates at cold temperatures between the temperature of the boiler and the ambient temperature (ambient temperature excluded).
  • the transfer member 6 is preferably located outside the cold box 29 (for example at room temperature) but could also be located in the cold box 29 in certain variants.
  • This cryogenic pumping member 8 is configured to pump the fluid, for example at a temperature of 1.8K to 4K.
  • This pumping member 8 comprises for example a turbo type pump molecular, "Holweck”, centrifugal wheel or any combination of these technologies.
  • This pumping member 8 is configured for a low pressure (about 0.1 millibar for example) and a low temperature (for example about 700 / 850mK) in accordance with the operation of the boiler 5.
  • This cryogenic pumping member 8 is preferably configured for pump helium3 having a pressure of about 0.1mbar or less.
  • This architecture with a pumping member 8 in the cold part of the circuit 20 makes it possible to increase the flow rate of cycle fluid and therefore the cooling power produced.
  • This arrangement makes it possible in particular to achieve cold powers produced which could not be achieved by known systems (due in particular to the sizes of the compressors 6 required and the expected efficiency).
  • the device comprises several heat exchangers 9 countercurrently in the circuit 20 between the mixing chamber 3 and the boiler 5.
  • the device 1 comprises a second portion 10 of heat exchange between at least one. part of the first pipe assembly 2, 4 and the second pipe assembly 7 and located between the boiler 5 and the transfer member 6.
  • This second exchange portion 10 can comprise a heat exchanger countercurrent between the two sets of pipes 2, 7.
  • This heat exchanger 10 can be in exchange of heat with a cooling member 12 which thus provides a pre- cooling of the cycle fluid (for example to a temperature of the order of 4K).
  • Another (third) heat exchange portion 23 may be provided (in addition or alternately) between the pumping member 8 and the boiler 5.
  • This third heat exchange portion 23 may be provided for example to ensure a pre-cooling of the cycle fluid (for example to a temperature of the order of 1.8K).
  • the third heat exchange portion 23 can receive cold from a cooling member 22.
  • the circuit 20 can include a portion 11 of heat exchange between the second assembly of pipes 7 and the boiler 5.
  • This heat exchange can for example bring the cycle fluid to a temperature of the order of 0, 6 to 1K for example.
  • the fluid can reach a temperature below 20mK, for example up to 5mK.
  • the fluid in the boiler 5 has for example a pressure of between 0.05 and 0.1 mbar.
  • This architecture allows pumping in the pipe 4, 2 to rise to ambient temperature at a higher pressure than in the configuration of known systems.
  • This architecture makes it possible to limit the problems of pressure losses in the pumping line down to ambient temperature and a reduction in the volume flow rate in the compression member 6.
  • This pumping member 8 provides cold compression which increases the flow rate while drastically reducing the size and the energy required for pumping (compared to architectures with compressions at ambient temperature).
  • This pumping member 8 can pump the fluid for example with a delivery pressure of between 10 and 500mbar, in particular 300mbar.
  • cryogenic pumping member 8 can be located at any cycle temperature 20 between the boiler 5 and the transfer member 6 (in the case of the compressor in particular) which is at ambient temperature.
  • This pumping member 8 can, where appropriate, be thermalized (that is to say placed in cold or kept cold) by the aforementioned cooling member 22 (or another cooling member 12 of the device).
  • the transfer member 6 comprises or consists of a heat exchanger 26 which is preferably also in the cold part of the device 1. That is to say that, at the outlet of the pumping member 8 cryogenic, the pumped fluid is kept cold before being returned to the second pipe assembly 7 of the circuit 20.
  • This configuration can be obtained after starting the device which comprises a hot transfer member 6 such as a compressor as described. above. That is to say that the device is started for example in the configuration of [Fig. 2] then the compressor 6 switched off or bypassed by a cold exchanger 6 and the whole of the device 1 is cold (in a cold box for example).
  • the exchanger 26 of the transfer member 6 can be configured to heat exchange with a cold source (a cooling member 22 for example) with a view to pre-cooling, for example at a temperature of 4K.
  • the at least one cooling member 22, 12 which is provided for cooling or pre-cooling the cycle fluid preferably comprises a cryogenic refrigerator (and / or liquefier).
  • a cryogenic refrigerator and / or liquefier.
  • An example of a combination of such a refrigerator and a dilution refrigeration device is shown in [Fig. 4] (or more schematically in [Fig. 8]).
  • the refrigerator 12 generally comprising a working circuit 13 forming a loop and containing a working fluid (preferably comprising helium and optionally at least one other gas: hydrogen, nitrogen, argon, etc.) cf. [Fig. 4].
  • a working fluid preferably comprising helium and optionally at least one other gas: hydrogen, nitrogen, argon, etc.
  • the working circuit 13 forms a cycle comprising in series: a mechanism 14 for compressing the working fluid (one or more compressors in series and / or in parallel), a mechanism 15 for cooling the working fluid (exchanger (s) of counter-current heat for example), a mechanism for expanding the working fluid (one or more expansion turbines 16 and / or expansion valves 17 of the Joule-Thomson or other type), a mechanism for heating the working fluid (eg counter-current exchanger (s) to heat the working fluid returning to the compression mechanism).
  • a mechanism 14 for compressing the working fluid one or more compressors in series and / or in parallel
  • a mechanism 15 for cooling the working fluid exchanger (s) of counter-current heat for example
  • a mechanism for expanding the working fluid one or more expansion turbines 16 and / or expansion valves 17 of the Joule-Thomson or other type
  • a mechanism for heating the working fluid eg counter-current exchanger (s) to heat the working fluid returning to the compression mechanism.
  • At least one cold compressor 25 may be provided in the circuit before the countercurrent exchanger 15 and before the return to the compression mechanism 14.
  • the working gas is subjected in the circuit to a thermodynamic cycle of the reverse Claude or Ericsson type.
  • the refrigerator 12 has at least a portion 18, 27 of heat exchange between the working fluid expanded in the expansion mechanism 16 and at least a portion of the cycle fluid of the dilution refrigeration device 1, for cooling and / or pre-cool.
  • the cryogenic refrigerator 12 preferably comprises at least one tank 19 for storing liquefied working gas downstream of the mechanism 16, 17 for expanding the working fluid.
  • the refrigerator 12 is configured to liquefy the working fluid in the tank or tanks 19.
  • the portion or portions 18, 27 of heat exchange between the expanded working fluid and at least part of the cycle fluid of the dilution refrigeration device 1 preferably comprises a heat exchange between the liquefied working fluid located in the at least one. minus a tank 19 and the cycle fluid of the dilution refrigeration device 1.
  • the cryogenic refrigerator 12 comprises two liquefied working gas storage tanks 19 located at separate locations of the working circuit.
  • the refrigerator 12 is configured to liquefy the cycle fluid in said tanks 19 at distinct respective cycle temperatures (for example, according to the direction of circulation of the working fluid, respectively liquid helium at 4K and liquid at 1, 8K).
  • the liquefied working fluids located in said tanks 19 are placed in thermal exchange with the cycle fluid of the dilution refrigeration device at respective separate locations 18, 27 of the working circuit of the dilution refrigeration device 1.
  • the heat exchange between the liquefied fluid and the cycle fluid of the dilution refrigeration device 1 is symbolized by a heat exchange portion of the working circuit 20 with the bath of the tanks. More precisely, a first portion 27 of the second set 7 of pipes (and / or portion 18 of the first set of pipes 4) is in direct heat exchange with the interior of a tank 19 and a second portion 27 of the second set 7 pipe (and / or portion 18 of the first pipe assembly 2) is in direct heat exchange with the interior of the other tank 19).
  • all the cold (cryogenic) parts of the installation can be placed in a cold box 29 thermally insulated and under vacuum. That is to say that only the transfer member 6 (compressor) and the mechanism 14 of compression, which are at a non-cryogenic temperature (eg ambient) are outside the cold box 29.
  • the member (s) 12, 22 for cooling / pre-cooling the device of [Fig. 3] can include or consist of the same refrigeration device of [Fig. 4] described above, for example a Claude cycle precooling refrigerator having a cold power available at 4 to 5 K and 1 to 2K for example. That is to say, a liquefier or refrigerator 12 can supply all or part of the cold power to the dilution refrigeration device 1 of [Fig. 3].
  • the cold transfer member 6 (cold heat exchanger 26) could also be in the cold box 29 (only the compression mechanism 14 would be placed outside).
  • the dilution cooling device 1 may comprise several dilution loops each comprising a respective mixing chamber 3 and a boiler 5.
  • the working circuit 20 of the cycle fluid can thus comprise several first sets of distinct pipes 2, 4 and several second sets of distinct pipes 7. That is to say that the production of cold can comprise several dilution systems which preferably share at least part of the constituent members.
  • This is shown schematically in particular in [Fig. 5] where two dilution loops have been represented and two other potential loops have been symbolized by dotted lines.
  • the elements already described are designated by the same numerical references and are not explained in detail a second. In [Fig. 9] only three dilution loops have been shown.
  • At least part of the several dilution loops can comprise a common transfer member 6 (compressor and / or exchanger as described above). That is to say that the cycle fluid circulating in several dilution loops passes through the same unit 6 for shared transfer.
  • the first sets of pipes 2, 4 and second sets of corresponding pipes 7 can thus be connected in parallel to the common transfer member 6.
  • the several dilution loops may comprise a common pumping member 8, that is to say that the cycle fluid circulating in several dilution loops passes (is pumped) in the same member 8 of pooled pumping in a common collector pipe.
  • the first sets of pipes 2, 4 and / or the corresponding second sets of pipes 7 can then be connected in parallel to said common pumping member 8.
  • one or more or all of the different dilution loops can comprise one or more own pumping member (s) which is not shared. That is to say that, in addition to the shared pumping member (s) 8, one or more dilution loops may include one or more pumping member 8 located on a pipe which is not shared with another pumping loop. dilution.
  • all or part of these multiple dilution refrigeration systems can be precooled and / or cooled by a single cooling / precooling member 12, 22.
  • the common cooling apparatus can thus comprise a cryogenic refrigerator 12 as described above (comprising a working circuit 13 forming a loop and containing a working fluid containing for example helium, the working circuit 13 forming a cycle comprising in series: a mechanism 14 for compressing the working fluid, a mechanism 15 for cooling the working fluid, a mechanism 16, 17 for expanding the working fluid and a mechanism 15 for heating the working fluid).
  • This refrigerator 12 comprises at least a portion 18 of heat exchange between the working fluid expanded in the expansion mechanism 16 and at least a portion of the cycle fluid of the several distinct dilution loops of the dilution refrigeration device.
  • the cryogenic refrigerator forming the common cooling apparatus may comprise at least one tank 19 for storing liquefied working gas (in particular two tanks).
  • the device comprising a transfer pipe 21 connecting each storage tank 19 to at least a portion 18 of at least part of the several distinct dilution loops of the dilution refrigeration device to ensure heat exchange between the working fluid and the cycle fluid in each of said dilution loops of the dilution refrigeration device.
  • the fluid used to cool / pre-cool the dilution loops is returned to the working circuit 13 via a respective return pipe 121.
  • the [Fig. 6] shows a schematic view of a possible exemplary part of the structure of a part of one of the dilution loops of [Fig. 5].
  • the cryogenic pumping unit 8 is pooled (and is not shown). That is to say that the fluid leaving the boiler 5 is returned to the common pumping member 8.
  • the pre-cooling of the dilution loop comprises a first reserve 18 of liquefied cooling fluid (for example at a temperature of 4K) in heat exchange with the dilution loop (the second assembly 7 of pipes in particular) before the boiler 5.
  • the pre-cooling of the dilution loop comprises a second reserve 18 of liquefied cooling fluid (for example at a temperature of 1.8K) in heat exchange with the dilution loop (the second assembly 7 of pipes in particular) between the first reserve and the boiler 5.
  • a second reserve 18 of liquefied cooling fluid for example at a temperature of 1.8K
  • FIG. 7 shows the possible arrangement of the fluidic connections of the different dilution loops in the common refrigerator.
  • the transfer conduits 21 supplying respectively the reserves 18 of six liquefaction loops with a view to their pre-cooling and the six respective return conduits 121 returning the liquefied cryogenic fluid having served to pre-cool six dilution loops.
  • the transfer conduits 21 can each comprise a valve 28 for controlling or stopping the flow.
  • the transfer pipes 21 are connected to a first tank 19 for storing liquefied working gas.
  • the return pipes 121 are connected to the working circuit.
  • the ends of the first sets 2 of pipes are connected to a collecting pipe comprising the common cryogenic pumping member 8.
  • transfer conduits 21 supplying respectively the reserves 18 of six liquefaction loops with a view to their cooling and the six respective return conduits 121 returning the liquefied cryogenic fluid having served to cool six dilution loops.
  • the transfer pipes 21 are connected to a second tank
  • the return pipes 121 are connected to the working circuit.
  • the device 1 allows a distributed architecture comprising several (six in this example but which could be any other, for example ten or more) distinct dilution loops producing cold and cooled by a member 12 or central cryostat ensuring pre-cooling fluids cycles from room temperature to a target cryogenic temperature (e.g. 4K or / and 1.8K)
  • a target cryogenic temperature e.g. 4K or / and 1.8K
  • cryogenic pumping member 8 of the boiler 5 of the cold stages of the satellite dilutions is pooled.
  • this architecture with multiple dilution loops makes it possible, in addition to its modularity, to isolate one or more loops for repair while the other dilution loops are active.
  • the common cooling member 12 enables efficient cooling of the various components.
  • the invention makes it possible to increase the pumping flow capacity which increases the cold power produced by dilution.

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Abstract

Dispositif et procédé de réfrigération à dilution comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d'une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite (7) reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première portion (9) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7), la première portion (9) d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe (22, 12) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (20) de travail, le dispositif comprenant au moins un organe (8) de pompage cryogénique situé dans le circuit (20) de travail entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert.

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 pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 et d'hélium d'isotope 4, le circuit de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites, une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert, le premier ensemble de conduites étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre de mélange à une entrée du bouilleur et d'une sortie du bouilleur à une entrée de l'organe de transfert, le circuit de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite reliant une sortie de l'organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange, le circuit de travail comprenant au moins une première portion d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduite, la première portion d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur et 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. L'invention concerne en particulier un dispositif et procédé de réfrigération cryogénique de forte puissance à basse ou très basse température (c'est-à-dire potentiellement jusque dans la gamme de température du milliKelvin à la centaine de milliKelvin) .
L'utilisation de la réfrigération à des températures inférieures à la centaine de milliKelvin concerne essentiellement les applications pour l'étude de la matière et des phénomènes quantiques, pour la réalisation de détecteurs de rayonnement électromagnétique .
Les phénomènes quantiques donnent lieu à des développements théoriques et technologiques susceptibles de les mettre en œuvre pour effectuer des opérations (« quantum computing ») pour le développement de supercalculateurs (effectuant par exemple un milliard de milliards de calculs chaque seconde) en manipulant des « qubits » supraconducteurs à des températures proches du milliKelvin ou à base de silicium à quelques centaines de milliKelvin .
Généralement, ces applications utilisent des réfrigérateurs à dilution pour les besoins de refroidissement qui leur permettent de manipuler une centaine de qubits et intégrer les centaines de liaisons filaires ou coaxiales (environ 4 par qubit) nécessaires pour les contrôler et lire leur état.
Ainsi, le moyen traditionnel d'obtenir de la puissance de réfrigération à des températures de l'ordre du milliKelvin à la centaine de milliKelvin est le réfrigérateur à dilution d'héliumô dans l'hélium4.
D'autres technologies offrent des puissances froides de 8 à 30 microWatt à 20mK ou 250 à 1000 microWatt à lOOmK.
Pour manipuler à terme dizaines de milliers jusqu'à des millions de qubits dans un ordinateur quantique « exascale », les solutions de réfrigération existantes ne sont plus adaptées.
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'il comprend au moins un organe de pompage cryogénique situé dans le circuit de travail entre le bouilleur et l'organe de transfert.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l'organe transfert comprend un compresseur du fluide de cycle, l'organe transfert comprend un échangeur de chaleur, le au moins un organe de pompage cryogénique est situé dans le premier ensemble de conduites du circuit de travail, en configuration de fonctionnement du dispositif de réfrigération, le fluide de cycle y étant admis à une température cryogénique, notamment comprise entre 0,5K et 80K, le au moins un organe de pompage cryogénique est configuré pour pomper le fluide du cycle ayant une pression d'admission comprise entre 0,01mbar et lOOmbar, le dispositif comporte une seconde portion d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduite et située entre le bouilleur et l'organe de transfert, le au moins un organe de pompage cryogénique étant situé entre la seconde portion d'échange de chaleur et le bouilleur et/ou entre la seconde portion d'échange de chaleur et l'organe de transfert, le au moins un organe de refroidissement comporte un appareil de refroidissement en échange de chaleur avec le deuxième ensemble de conduite entre l'organe de transfert et l'organe de mélange, l'organe de refroidissement étant configuré pour refroidir le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, le dispositif comporte une portion d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite et le bouilleur, le au moins un organe de refroidissement comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail comprenant de l'hélium, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, le réfrigérateur cryogénique comprend au moins une cuve de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite cuve, la au moins une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution comprend un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé dans la au moins une cuve et le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution, le réfrigérateur cryogénique comprend au moins deux cuves de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves à des températures respectives distinctes, les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves étant mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements distincts respectifs du circuit de travail du dispositif de réfrigération à dilution, le circuit de travail comprend plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre de mélange et un bouilleur respectifs, c'est-à-dire que le circuit de travail du fluide de cycle comprend plusieurs premiers ensembles de conduites distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite distincts, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe de transfert commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe de transfert mutualisé, les premiers ensembles de conduites et deuxièmes ensembles de conduite correspondantes étant raccordées en parallèle à l'organe de transfert commun, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe de pompage mutualisé, les premiers ensembles de conduites et/ou les deuxièmes ensembles de conduite correspondantes étant raccordées en parallèle audit organe de pompage commun, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent chacune un organe de pompage distinct respectif, le au moins un organe de refroidissement comporte un appareil de refroidissement commun pour refroidir au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes, l'appareil de refroidissement commun comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant de l'hélium, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution, le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil de refroidissement commun comprend au moins une cuve de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite au moins une cuve, le dispositif de réfrigération comprenant une conduite de transfert reliant ladite au moins une cuve de stockage à au moins une portion d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution, le réfrigérateur cryogénique formant le au moins un organe de refroidissement commun comprend au moins deux cuves de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves à des températures respectives distinctes, et en ce que le dispositif de réfrigération comporte un ensemble de conduites de transfert reliant les cuves de stockage à respectivement des portions distinctes d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution, pour assurer des échanges thermiques entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans lesdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.
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 :
[Fig. 1] représente une vue schématique et partielle illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 2] représente une vue schématique et partielle illustrant un second exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant un troisième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 4] représente une vue schématique et partielle illustrant un quatrième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention, [Fig. 5] représente une vue schématique et partielle illustrant un cinquième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 6] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail d'un sixième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 7] représente une vue schématique et partielle illustrant un autre détail du sixième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon 1'invention,
[Fig. 8] représente une autre vue simplifiée du quatrième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention,
[Fig. 9] représente une autre vue simplifiée du cinquième exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération selon l'invention.
Le dispositif 1 de réfrigération à dilution représenté à la [Fig. 1] comprenant un circuit 20 de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (« 3He » ou « hélium 3 ») et d'hélium d'isotope 4 (« 4He » ou « hélium 4 »). Ce circuit 20 de travail comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites 2, 4, une chambre 3 de mélange, un bouilleur 5 et un organe 6 de transfert.
Le premier ensemble de conduites 2, 4 est configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre 3 de mélange à une entrée du bouilleur 5 et d'une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l'organe 6 de transfert.
Le circuit 20 de travail comprend un deuxième ensemble de conduite 7 reliant une sortie de l'organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3.
Le bouilleur 5 (ou évaporateur) assure classiquement une séparation de phase entre l'hélium 3 et l'hélium 4 (le bain, qui contient par exemple 1% en mole d'hélium 3 est par exemple à une température comprise entre 0,7 et 1K). Le bouilleur 5 alimente l'organe 6 de transfert en hélium 3 via le premier ensemble 4 de conduite.
Dans la chambre 3 de mélange la température peut être de l'ordre par exemple de 5 à 300mK et notamment entre 5 et 150mK. L'hélium 3 liquide concentré renvoyé par l'organe 6 de transfert dans la chambre 3 de mélange peut être localisé en partie supérieure ce cette chambre 3, au-dessus d'une phase liquide diluée (contenant par exemple 6 à 7 % d'hélium 3). Une extrémité du premier ensemble de conduite 7 débouche par exemple dans cette phase concentrée supérieure.
Dans la chambre 3 de mélange, la phase concentrée en hélium 3 injectée se dilue dans la phase diluée, c'est ce processus de dilution endothermique qui produit la puissance frigorifique à la température de la chambre 3 de mélange.
Le froid produit peut être utilisé pour refroidir un utilisateur (symbolisé par la référence 24 à la [Fig. 1]).
Le circuit 20 de travail comprend au moins une première portion 9 d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite 2, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7. La première portion 9 d'échange de chaleur est située entre le bouilleur 5 et la chambre 3 de mélange.
Cette portion 9 d'échange de chaleur utilise par exemple au moins un échangeur de chaleur à contre-courant qui permet de pré refroidir la phase concentrée en Hélium3 réinjectée dans la boîte 3 à mélange par la phase diluée en hélium3 qui remonte de cette boîte 5 à mélange vers le bouilleur 5.
L'efficacité des échangeurs 9 de chaleur contre-courant entre phases diluée et phase concentrée est le point critique de ces réfrigérateurs à dilution. Les résistances thermiques dites de Kapitza qui apparaissent à très basses températures entre l'hélium et les matériaux solides et s'accroissent comme l'inverse du carré de la température rendent très difficile et critique le dimensionnement de ces échangeurs. Dans l'exemple de la [Fig. 1], l'organe 6 transfert comprend par exemple un compresseur du fluide de cycle. Par exemple, ce compresseur 6 fonctionne à température ambiante (par exemple en dehors d'une boîte 29 froide qui contient le reste du dispositif). C'est-à-dire que ce compresseur 6 peut être à température non cryogénique en configuration de fonctionnement du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Le dispositif 1 comprend en outre au moins un organe 22 de refroidissement en échange thermique avec le circuit 20 de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, c'est-à-dire pour refroidir le fluide de cycle.
Par exemple, l'organe 22 de refroidissement comprend un échange thermique avec le circuit 20 de travail (seconde ensemble de conduite 7) pour refroidir le fluide à la sortie de l'organe 6 de transfert (par exemple à 1,3 à 1,4K).
Le circuit 20 de travail comprend en outre un organe 8 de pompage cryogénique situé entre le bouilleur 5 et l'organe 6 de transfert.
De préférence, le dispositif 1 comprend donc au moins une boîte 29 froide isolée thermiquement qui contient tout ou partie des composants froids (cryogéniques du dispositif 1). L'organe 8 de pompage est situé dans la boîte froide 29.
Cet organe 8 de pompage cryogénique fonctionne ainsi de préférence à des températures froides entre la température du bouilleur et la température ambiante (température ambiante exclue).
L'organe 6 de transfert est de préférence situé hors de la boîte froide 29 (par exemple à température ambiante) mais pourrait être également situé dans la boîte froide 29 dans certaines variantes.
Cet organe 8 de pompage cryogénique est configuré pour pomper le fluide par exemple à une température de 1,8K à 4K. Cet organe 8 de pompage comprend par exemple une pompe de type turbo moléculaire, « Holweck », à roue centrifuge ou toute combinaison de ces technologies.
Cet organe 8 de pompage est configuré pour une basse pression (environ 0,1 millibar par exemple) et une température basse (par exemple environ 700/850mK) conformes au fonctionnement du bouilleur 5. Cet organe 8 de pompage cryogénique est de préférence configuré pour pomper de l'hélium3 ayant une pression d'environ 0,lmbar ou moins.
Cette architecture avec un organe 8 de pompage dans la partie froide du circuit 20 permet d'augmenter le débit de fluide de cycle et donc la puissance de froid produite. Cet agencement permet en particulier d'atteindre des puissances froides produites qui ne pourraient pas être atteintes par les systèmes connus (en raison notamment des tailles des compresseurs 6 requis et de l'efficacité attendue).
Cette agencement permet une meilleure efficacité de pompage avec une pompe 8 de taille relativement réduite opérant à froid (par exemple à 4K ou 1,8K) avec une ligne de pompage courte donc sans réduction de la pression d'aspiration par les pertes de charge. Ceci n'est pas possible dans la configuration classique avec uniquement un organe 6 de pompage ou pompe située à température ambiante (des pertes de charge dans la tuyauterie d'aspiration...).
Dans le mode de réalisation de la [Fig. 2], le dispositif comprend plusieurs échangeurs 9 de chaleur à contre-courant dans le circuit 20 entre la chambre 3 de mélange et le bouilleur 5. De plus, le dispositif 1 comporte une seconde portion 10 d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite 2, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7 et située entre le bouilleur 5 et l'organe 6 de transfert. Cette seconde portion 10 d'échange peut comprendre un échangeur de chaleur à contre-courant entre les deux ensembles de conduites 2, 7. Cet échangeur 10 de chaleur peut être en échange de chaleur avec un organe 12 de refroidissement qui assure ainsi un pré- refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l'ordre de 4K).
Une autre (troisième) portion 23 d'échange de chaleur peut être prévue (en plus ou alternativement) entre l'organe 8 de pompage et le bouilleur 5. Cette troisième portion 23 d'échange de chaleur peut être prévue par exemple pour assurer un pré refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l'ordre de 1,8K). La troisième portion 23 d'échange de chaleur peut recevoir du froid d'un organe 22 de refroidissement.
Comme illustré, le circuit 20 peut comporter une portion 11 d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite 7 et le bouilleur 5. Cet échange de chaleur peut par exemple amener le fluide de cycle à une température de l'ordre de 0,6 à lKpar exemple .
Dans la chambre 3 de mélange le fluide peut atteindre une température inférieure à 20mK par exemple jusqu'à 5mK.
Le fluide dans le bouilleur 5 a par exemple une pression comprise entre 0,05 et 0,1 mbar.
Cette architecture permet un pompage dans la conduite 4, 2 remontant à la température ambiante à une pression plus élevée que dans la configuration des systèmes connus. Cette architecture permet de limiter les problèmes de pertes de charges dans la ligne de pompage jusqu'à l'ambiante et une réduction du débit volumique dans l'organe 6 de compression. Cet organe 8 de pompage assure une compression à froid qui augmente le débit tout en réduisant drastiquement la taille et l'énergie nécessaire pour le pompage (par rapport aux architectures avec compressions à température ambiante).
Cet organe 8 de pompage peut pomper le fluide par exemple avec une pression de refoulement comprise entre 10 et 500mbar notamment 300mbar.
A noter que l'organe 8 de pompage cryogénique peut être situé à n'importe quelle température de cycle 20 entre le bouilleur 5 et l'organe 6 de transfert (cas du compresseur notamment) qui est à température ambiante.
Ceci permet de choisir le cas échant le niveau de température du fluide de cycle qui sera pompé (par exemple en cas de contrainte technologique, de dissipation thermique de la pompe cryogénique...).
Cet organe 8 de pompage peut le cas échéant être thermalisé (c'est-à-dire mis en froid ou maintenu en froid) par l'organe 22 de refroidissement précité (ou un autre organe de refroidissement 12 du dispositif).
Dans le mode de réalisation de la [Fig. 3], l'organe 6 transfert comprend ou est constitué d'un échangeur 26 de chaleur qui est de préférence également dans la partie froide du dispositif 1. C'est-à-dire que, en sortie de l'organe 8 de pompage cryogénique, le fluide pompé est maintenu en froid avant d'être renvoyé dans le deuxième ensemble 7 de conduite du circuit 20. Cette configuration peut être obtenue après un démarrage du dispositif qui comporte un organe 6 de transfert chaud tel qu'un compresseur comme décrit ci-dessus. C'est à dire que le dispositif est démarré par exemple dans la configuration de la [Fig. 2] puis le compresseur 6 mis hors circuit ou by-passé par un échangeur 6 froid et l'ensemble du dispositif 1 est en froid (dans une boîte froide par exemple).
L'échangeur 26 de l'organe 6 de transfert peut être configuré pour échanger thermiquement avec une source de froid (un organe 22 de refroidissement par exemple) en vue d'un pré refroidissement, par exemple à une température de 4K.
Dans cette architecture, il n'y a pas de système de compression à température ambiante en sortie de l'organe 8 de pompage cryogénique. Cette boucle intégralement froide est plus simple, moins coûteuse tout en étant efficace.
Le au moins un organe 22, 12 de refroidissement qui est prévu pour refroidir ou pré-refroidir le fluide de cycle comprend de préférence un réfrigérateur (et/ou liquéfacteur) cryogénique. Un exemple d'association d'un tel réfrigérateur et d'un dispositif de réfrigération à dilution est représenté à la [Fig. 4] (ou plus schématiquement à la [Fig. 8]).
Le réfrigérateur 12 comprenant généralement un circuit 13 de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail (comprenant de préférence de l'hélium et éventuellement au moins un autre gaz : hydrogène, azote, argon...) cf. [Fig. 4].
Le circuit 13 de travail forme un cycle comprenant en série: un mécanisme 14 de compression du fluide de travail (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle), un mécanisme 15 de refroidissement du fluide de travail (échangeur(s) de chaleur à contre-courant par exemple), un mécanisme de détente du fluide de travail (une ou plusieurs turbines 16 de détente et/ou des vannes 17 de détente de type Joule-Thomson ou autre), un mécanisme de réchauffement du fluide de travail (par exemple échangeur(s) à contre-courant pour réchauffer le fluide de travail retournant au mécanisme de compression).
Comme illustré, au moins un compresseur 25 froid peut être prévu dans le circuit avant l'échangeur 15 à contre-courant et avant le retour dans le mécanisme 14 de compression.
De préférence, le gaz de travail est soumis dans le circuit à un cycle thermodynamique de type Claude ou Ericsson inverse.
Le réfrigérateur 12 possède au moins une portion 18, 27 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme 16 de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution, pour refroidir et/ou pré-refroidir.
Le réfrigérateur 12 cryogénique comprend de préférence au moins une cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de 16, 17 de détente du fluide de travail. Le réfrigérateur 12 est configuré pour liquéfier du fluide de travail dans la ou les cuves cuve 19. La ou les portions 18, 27 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution comprend de préférence un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé dans la au moins une cuve 19 et le fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Dans l'exemple non limitatif de la [Fig. 4] ou de la [Fig. 8], le réfrigérateur 12 cryogénique comprend deux cuves 19 de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail. Ainsi le réfrigérateur 12 est configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves 19 à des températures de cycle respectives distinctes (par exemple, selon le sens de circulation du fluide de travail respectivement de l'hélium liquide à 4K et du liquide à 1,8K). Les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves 19 sont mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements 18, 27 distincts respectifs du circuit de travail du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Dans cette représentation schématique, l'échange thermique entre le fluide liquéfié et le fluide de cycle du dispositif 1 de réfrigération à dilution est symbolisé par une portion d'échange thermique du circuit 20 de travail avec le bain des cuves. Plus précisément, une première portion 27 du deuxième ensemble 7 de conduite (et/ou portion 18 du premier 4 ensemble de conduites) est en échange de chaleur direct avec l'intérieur d'une cuve 19 et une seconde portion 27 du deuxième ensemble 7 de conduite (et/ou portion 18 du premier ensemble 2 de conduite) est en échange de chaleur direct avec l'intérieur de l'autre cuve 19). Comme illustré, toutes les parties froides (cryogéniques) de l'installation peuvent être disposées dans une boîte 29 froide isolée thermiquement et sous vide. C'est-à-dire que seuls l'organe 6 de transfert (compresseur) et le mécanisme 14 de compression, qui sont à une température non cryogénique (par exemple ambiante) sont en dehors de la boîte 29 froide.
Tout ou partie de ce système de refroidissement et/ou pré refroidissement peut être appliqué au dispositif 1 de réfrigération à dilution du mode de réalisation de la [Fig. 3]. C'est-à-dire que le ou les organes 12, 22 de refroidissement/pré- refroidissement du dispositif de la [Fig. 3] peuvent comprendre ou être constitués du même dispositif de réfrigération de la [Fig. 4] décrit ci-dessus, par exemple un réfrigérateur de pré refroidissement à cycle Claude ayant une puissance froide disponible à 4 à 5 K et l à 2K par exemple. C'est-à-dire qu'un liquéfacteur ou réfrigérateurl2 peut apporter tout ou partie de la puissance froide au dispositif 1 de réfrigération à dilution de la [Fig. 3]. Dans ce cas, l'organe 6 de transfert froid (échangeur de chaleur froid 26) pourrait être également dans la boîte 29 froide (seul le mécanisme 14 de compression serait disposé en dehors).
Comme représenté aux exemples de la [Fig. 5] (ou plus schématiquement à la [Fig. 9], le dispositif 1 de refroidissement à dilution peut comporter plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre 3 de mélange et un bouilleur 5 respectifs. Le circuit 20 de travail du fluide de cycle peut ainsi comprendre plusieurs premiers ensembles de conduites 2, 4 distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite 7 distincts. C'est-à-dire que la production de froid peut comprendre plusieurs systèmes à dilution qui de préférence partagent au moins une partie des organes constitutifs. Ceci est schématisé notamment à la [Fig. 5] où deux boucles de dilution ont été représentées et deux autres boucles potentielles ont été symbolisées par des pointillés. Les éléments déjà décrits sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont explicités en détail une seconde fois. A la [Fig. 9] seules trois boucles de dilution ont été représentées. Ainsi, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution peuvent comprendre un organe 6 de transfert commun (compresseur et/ou échangeur comme décrit précédemment). C'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe 6 de transfert mutualisé. Les premiers ensembles de conduites 2, 4 et deuxièmes ensembles de conduite 7 correspondantes peuvent ainsi être raccordées en parallèle à l'organe 6 de transfert commun.
De même, au moins une partie des plusieurs boucles de dilution peuvent comprendre un organe 8 de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite (est pompé) dans un même organe 8 de pompage mutualisé dans une conduite collectrice commune. Les premiers ensembles de conduites 2, 4 et/ou les deuxièmes ensembles de conduite 7 correspondantes peuvent alors être raccordées en parallèle audit organe 8 de pompage commun. Ceci est cependant facultatif. Ainsi, en variante ou en combinaison, l'une ou plusieurs ou toutes les différentes boucles de dilution peuvent comprendre un ou plusieurs organe 8 de pompage propre(s) qui n'est pas partagé. C'est-à-dire que, en plus du ou des organes 8 de pompage partagés, une ou plusieurs boucles de dilution peut comprendre un ou plusieurs organe 8 de pompage situé sur une conduite qui n'est pas partagée avec une autre boucle de dilution .
De plus, comme illustré, tout ou partie de ces multiples systèmes de réfrigération à dilution peuvent être pré-refroidis et/ou refroidis par un même organe 12, 22 de refroidissement/pré- refroidissement .
L'appareil de refroidissement commun peut ainsi comprendre un réfrigérateur 12 cryogénique tel que décrit ci-dessus (comprenant un circuit 13 de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant par exemple de l'hélium, le circuit 13 de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme 14 de compression du fluide de travail, un mécanisme 15 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 16, 17 de détente du fluide de travail et un mécanisme 15 de réchauffement du fluide de travail) . Ce réfrigérateur 12 comprend au moins une portion 18 d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme 16 de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution. Comme précédemment, le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil de refroidissement commun peut comprendre au moins une cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié (notamment deux cuves). Le dispositif comprenant une conduite 21 de transfert reliant chaque cuve 19 de stockage à au moins une portion 18 d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution. Le fluide ayant servi à refroidir/pré-refroidir les boucles de dilution est renvoyé vers le circuit 13 de travail par une conduite 121 de retour respective .
La [Fig. 6] représente une vue schématique d'une partie exemple possible de structure d'une partie d'une des boucles de dilution de la [Fig. 5]. Dans cet exemple, l'organe 8 de pompage cryogénique est mutualisé (et n'est pas représenté). C'est à- dire que le fluide sortant du bouilleur 5 est renvoyé vers l'organe 8 de pompage commun. Le pré-refroidissement de la boucle de dilution comprend une première réserve 18 de fluide de refroidissement liquéfié (par exemple à une température de 4K) en échange thermique avec la boucle de dilution (le deuxième ensemble 7 de conduite notamment) avant le bouilleur 5. De même, le pré-refroidissement de la boucle de dilution comprend une deuxième réserve 18 de fluide de refroidissement liquéfié (par exemple à une température de 1,8K) en échange thermique avec la boucle de dilution (le deuxième ensemble 7 de conduite notamment) entre la première réserve et le bouilleur 5. Chacune des réserves
18 est reliée au réfrigérateur 12 commun via des conduites de transfert 21 et des conduites 121 de retour respectives de liquide .
La [Fig. 7] représente l'agencement possible des liaisons fluidiques des différentes boucles de dilution au réfrigérateur commun. En partie supérieure sont représentées six conduites 21 de transfert alimentant respectivement les réserves 18 de six boucles de liquéfaction en vue de leur pré-refroidissement et les six conduites 121 de retour respectives renvoyant le fluide cryogénique liquéfié ayant servi à pré-refroidir six boucles de dilution. Comme schématisé sur deux lignes, les conduites 21 de transfert peuvent comprendre chacune une vanne 28 de contrôle ou d'arrêt du flux.
Les conduites 21 de transfert sont raccordées à une première cuve 19 de stockage de gaz de travail liquéfié. Les conduites 121 de retour sont raccordées au circuit de travail.
Les extrémités des premiers ensembles 2 de conduites sont raccordées à une conduite collectrice comprenant l'organe 8 de pompage cryogénique commun.
En partie inférieure sont représentées six conduites 21 de transfert alimentant respectivement les réserves 18 de six boucles de liquéfaction en vue de leur refroidissement et les six conduites 121 de retour respectives renvoyant le fluide cryogénique liquéfié ayant servi à refroidir six boucles de dilution .
Les conduites 21 de transfert sont raccordées à une seconde cuve
19 de stockage de gaz de travail liquéfié. Les conduites 121 de retour sont raccordées au circuit de travail.
Ainsi, le dispositif 1 selon l'invention permet une architecture distribuée comprenant plusieurs (six dans cet exemple mais qui pourrait être tout autre, par exemple dix ou plus) boucles distinctes de dilution produisant du froid et refroidies par un organe 12 ou cryostat central assurant le pré-refroidissement des fluides de cycles de la température ambiante à une température cryogénique cible (par exemple 4K ou/et 1,8K)
Selon une possibilité 1'organe 8 de pompage cryogénique des bouilleur 5 des étages froids des dilutions satellites est mutualisé.
De cette façon, il est possible de mettre en œuvre des parties froides de dilutions avec des débits raisonnables pour les échangeurs 9 à contre-courant. De plus cette architecture à boucles de dilution multiples permet, en plus de sa modularité, d'isoler une ou plusieurs boucles pour une réparation tandis que les autres boucles de dilutions sont actives.
L'organe 12 de refroidissement commun permet de refroidir efficacement les divers composants.
L'invention permet d'augmenter la capacité de débit de pompage qui augmente la puissance froide produite par dilution.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d'une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduite (7) reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première portion (9) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7), la première portion (9) d'échange de chaleur étant située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, le dispositif comprenant en outre au moins un organe (22, 12) de refroidissement en échange thermique avec le circuit (20) de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, le dispositif (1) comprenant au moins une boîte (froide (29) isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe (8) de pompage cryogénique situé dans le circuit (20) de travail dans la au moins une boîte froide (29) entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert.
2. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (6) transfert comprend un compresseur du fluide de cycle.
3. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (6) transfert comprend un échangeur (26) de chaleur.
4. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de pompage cryogénique est situé dans le premier ensemble de conduites (2, 4) du circuit (20) de travail, et en ce que, en configuration de fonctionnement du dispositif de réfrigération, le fluide de cycle y est admis à une température cryogénique, notamment comprise entre 0,5K et 80K.
5. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de pompage cryogénique est configuré pour pomper le fluide du cycle ayant une pression d'admission comprise entre 0,01mbar et lOOmbar.
6. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde portion (10) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 4) et le deuxième ensemble de conduite (7) et située entre le bouilleur (5) et l'organe (6) de transfert et en ce que le au moins un organe (8) de pompage cryogénique est situé entre la seconde portion (10) d'échange de chaleur et le bouilleur (5) et/ou entre la seconde portion (10) d'échange de chaleur et l'organe (6) de transfert.
7. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comporte un appareil
(12) de refroidissement en échange de chaleur avec le deuxième ensemble de conduite (7) entre l'organe (6) de transfert et l'organe (3) de mélange, l'organe (12, 22) de refroidissement étant configuré pour refroidir le fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.
8. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une portion (11) d'échange de chaleur entre le second ensemble de conduite (7) et le bouilleur (5).
9. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comprend un réfrigérateur (12) cryogénique comprenant un circuit (13) de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail comprenant de l'hélium, le circuit (13) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (14) de compression du fluide de travail, un mécanisme (15) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail et un mécanisme (15) de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur (12) comprenant au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme (16) de détente et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.
10. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 9, caractérisé en ce que le réfrigérateur (12) cryogénique comprend au moins une cuve (19) de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme de (16, 17) de détente du fluide de travail, le réfrigérateur (12) étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite cuve (19), et en ce que la au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu et au moins une partie du fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution comprend un échange thermique entre le fluide de travail liquéfié situé dans la au moins une cuve (19) et le fluide de cycle du dispositif (1) de réfrigération à dilution.
11. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique comprend au moins deux cuves (19) de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves (19) à des températures respectives distinctes, et en ce que les fluides de travail liquéfiés situés dans lesdites cuves (19) sont mis en échange thermique avec le fluide de cycle du dispositif de réfrigération à dilution à des emplacements distincts respectifs du circuit de travail du dispositif de réfrigération à dilution.
12. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le circuit (20) de travail comprend plusieurs boucles de dilution comportant chacune une chambre (3) de mélange et un bouilleur
(5) respectifs, c'est-à-dire que le circuit (20) de travail du fluide de cycle comprend plusieurs premiers ensembles de conduites (2, 4) distincts et plusieurs deuxièmes ensembles de conduite (7) distincts.
13. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe (6) de transfert commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe
(6) de transfert mutualisé, les premiers ensembles de conduites (2, 4) et deuxièmes ensembles de conduite (7) correspondantes étant raccordées en parallèle à l'organe (6) de transfert commun.
14. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent un organe (8) de pompage commun, c'est-à-dire que le fluide de cycle circulant dans plusieurs boucles de dilution transite dans un même organe (8) de pompage mutualisé, les premiers ensembles de conduites (2, 4) et/ou les deuxièmes ensembles de conduite
(7) correspondantes étant raccordées en parallèle audit organe
(8) de pompage commun.
15. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution comprennent chacune un organe (8) de pompage distinct respectif.
16. Dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le au moins un organe (22, 12) de refroidissement comporte un appareil (12) de refroidissement commun pour refroidir au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes.
17. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'appareil (12) de refroidissement commun comprend un réfrigérateur cryogénique comprenant un circuit (13) de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail contenant de l'hélium, le circuit (13) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (14) de compression du fluide de travail, un mécanisme (15) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail et un mécanisme (15) de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant au moins une portion (18) d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme (16) de détente et au moins une partie du fluide de cycle des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution.
18. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 17, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique formant l'appareil (12) de refroidissement commun comprend au moins une cuve (19) de stockage de gaz de travail liquéfié en aval du mécanisme (16, 17) de détente du fluide de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de travail dans ladite au moins une cuve (19), le dispositif de réfrigération comprenant une conduite (21) de transfert reliant ladite au moins une cuve (19) de stockage à au moins une portion (18) d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution distinctes du dispositif de réfrigération à dilution pour assurer un échange thermique entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans chacune desdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.
19. Dispositif de réfrigération à dilution selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que le réfrigérateur cryogénique formant le au moins un organe (22, 12) de refroidissement commun comprend au moins deux cuves (19) de stockage de gaz de travail liquéfié situées à des emplacements distincts du circuit de travail, le réfrigérateur étant configuré pour liquéfier du fluide de cycle dans lesdites cuves (19) à des températures respectives distinctes, et en ce que le dispositif de réfrigération comporte un ensemble de conduites (21) de transfert reliant les cuves (19) de stockage à respectivement des portions distinctes d'au moins une partie des plusieurs boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution, pour assurer des échanges thermiques entre le fluide de travail et le fluide de cycle dans lesdites boucles de dilution du dispositif de réfrigération à dilution.
20. Procédé de refroidissement d'au moins un organe (24) utilisateur au moyen d'un dispositif de réfrigération à dilution selon l'une quelconque des revendications 1 à 19 dans lequel le fluide de cycle est mû dans le circuit (20) de travail par le au moins un organe (8) de pompage cryogénique.
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