WO2023088647A1 - Dispositif de réfrigération cryogénique - Google Patents

Dispositif de réfrigération cryogénique Download PDF

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WO2023088647A1
WO2023088647A1 PCT/EP2022/079867 EP2022079867W WO2023088647A1 WO 2023088647 A1 WO2023088647 A1 WO 2023088647A1 EP 2022079867 W EP2022079867 W EP 2022079867W WO 2023088647 A1 WO2023088647 A1 WO 2023088647A1
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flange
cover
cryogenic
enclosure
cryogenic cooler
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/079867
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Olivier GUIA
Ianni COSIMO
Marc STORA
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1414—Pulse-tube cycles characterised by pulse tube details

Definitions

  • the invention relates to a cryogenic refrigeration device.
  • the invention relates more particularly to a cryogenic refrigeration device comprising an enclosure defining a sealed volume closed by a lid, the device comprising at least one cryogenic cooler mounted through the lid and having a first end located outside the enclosure and a second end located in the enclosure, the cryogenic cooler being configured to produce cold at its second end, the device comprising a set of heat-conducting plates arranged in the enclosure forming thermal stages cooled by the cryogenic cooler, the device comprising a set of passages formed through the cover and trays for the sealed passage of cable(s) and/or apparatus(es) in the enclosure.
  • the invention relates to a refrigeration device making it possible to cool elements to a cryogenic temperature below 100K and in particular below 50K or below 4K.
  • the invention relates to refrigeration devices which make it possible to cool to very low temperatures, of the order of one millikelvin. These very low temperatures are conventionally obtained via a dilution refrigerator.
  • a dilution refrigerator uses a mixture of helium 3 and helium 4 in a working circuit comprising a boiler, a mixing chamber and a device for circulating the helium flow. Cooling is obtained at the level of the mixing chamber from the enthalpy of mixing when helium-3 is diluted in helium 4.
  • a refrigeration device has a working loop circuit containing a cycle fluid comprising a mixture of isotope helium 3 (3He) and isotope helium 4 (4He).
  • the working circuit comprises, arranged in series and fluidically connected via a first set of pipe(s), a mixing chamber, a boiler and a fluid transfer member.
  • the first set of pipe(s) is 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 includes a second set of pipe(s) connecting an outlet of the transfer unit to an inlet of the mixing chamber.
  • the working circuit comprises at least a first heat exchange portion between at least a part of the first set of conduit(s) and the second set of conduit(s), this first heat exchange portion being located between the boiler and mixing chamber.
  • a cooling member is generally provided in heat exchange with the working circuit and configured to transfer cold temperatures to the cycle fluid.
  • Such a dilution refrigerator typically comprises several stages of cooling, each stage being configured to obtain a respective temperature during the operation of the dilution refrigerator.
  • the components to be cooled can be thermally coupled to these stages to meet the specifics of the application.
  • dilution refrigerators are conventionally arranged in a cryogenic cooling device comprising an enclosure allowing access to the cold parts (cooling stages) via dedicated passages.
  • An additional mechanical cryocooler is generally provided to cool the enclosure and provide cold temperatures to the dilution cooler.
  • 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 at least part of the cover is composed of a flange forming a support for the cryogenic cooler, said flange carrying the cryogenic cooler being fixed in a leaktight and removable manner with respect to the rest of the cover.
  • 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 vertical sectional view, schematic and partial, illustrating an embodiment of a cryogenic refrigeration device according to the invention
  • FIG. 1 represents a perspective, schematic and partial view, illustrating an example of a cryogenic cooler module that can be used in such a cryogenic refrigeration device
  • FIG. 1 represents a perspective view, schematic and partially cut, illustrating an example of a detail of a cryogenic refrigeration device according to the invention
  • FIG. 1 represents a top view, schematic and partial, illustrating an example of a lid of such a cryogenic refrigeration device in the disassembled configuration
  • FIG. 1 represents a top view, schematic and partial, illustrating another example of a cover of such a cryogenic refrigeration device in mounted configuration
  • FIG. 1 represents a vertical sectional view, schematic and partial, illustrating another example of a cover of such a cryogenic refrigeration device in mounted configuration
  • FIG. 1 represents a perspective view, schematic and partial, illustrating another example of a lid of such a cryogenic refrigeration device in the disassembled configuration.
  • the cryogenic refrigeration device 1 illustrated in comprises an enclosure 2 delimiting a sealed volume closed by a cover 3, 13 above.
  • This type of device 1 is sometimes called a “cryostat”.
  • the enclosure 2 is for example cylindrical and can be made of stainless steel or aluminum for example. In operation, the interior volume of enclosure 2 can be placed under vacuum for thermal insulation purposes in particular.
  • the device 1 comprises, in the example of , two cryogenic coolers 4, 40 mounted through the cover 3, 13 and each having a first end located outside the enclosure 2 (at room temperature) and a second end located in the enclosure 2 (at cryogenic temperature Operating).
  • Each cryogenic cooler 4, 40 is configured to produce or supply cold power at its second end.
  • the device 1 comprises a set of plates 5, 6, 7, 8, 9 thermal conductors distributed vertically in the enclosure 2 and forming thermal stages cooled by at least cryogenic coolers 4, 40 (for example from top to bottom the trays are cooled to decreasing cryogenic temperatures).
  • the plates 5, 6, 7, 8, 9 are made of a thermally conductive material, for example copper or any other alloy or any suitable material.
  • the plates 5, 6, 7, 8, 9 can be spaced from each other by rods with low thermal conductivity (not shown for the sake of simplification).
  • At least one of the plates 5, 6, 7, 8, 9 can be the support for various devices or samples to be cooled at low temperature, for example quantum chips, and/or superconducting circuits or sensors.
  • Each plate 5, 6, 7, 8, 9 can be connected to a heat shield 23 which encompasses all or part of the following lower plates. That is to say, the screens 23 form volumes that are contained within each other ("nested" volumes). All or part of the screens 23 can be cooled by a cryogenic cooler 4, 40 by thermal coupling.
  • the device 1 comprises a set of passages 10, 11 formed through the cover 3 and the plates 5, 6, 7, 8, 9 for the sealed passage of cable(s) and/or apparatus(es) (probe( s) or other) in the enclosure 2 and for example for access to the plates 5, 6, 7, 8, 9.
  • the orifices 10, 11 can be provided in the device 1 to allow a "probe "experimental to pass inside enclosure 2 to provide a sample to be cooled while maintaining a vacuum inside enclosure 2.
  • the cryogenic cooler(s) 4, 40 are provided to provide cold power in the enclosure 2 in order to cool the plates (and heat shields if applicable) to determined temperatures.
  • the device 1 comprises in particular at least one cryogenic cooler 4 of the "mechanical" type, for example a cryogenic cooler such as a pulsed gas, Gifford McMahon, or Stirling type cooler.
  • the device 1 can comprise in particular at least one cryogenic cooler 40 of the dilution type.
  • At least a part of the cover 3, 13 is composed of a flange 13 forming a support for a cryogenic cooler 4, 40, said flange 13 carrying the cryogenic cooler 4, 40 being fixed in a sealed and removable manner by relative to the rest of the cover 3.
  • cryogenic coolers 4, 40 are mounted on one or more flanges 13 which are removable from the rest of the cover 3.
  • cryogenic cooler(s) 4, 40 removable and relatively independent from the rest of the device.
  • the coolers 4, 40 can be mounted, tested separately from the rest of the device and can be standard and mounted on different types of devices 1 (different geometries of enclosures 2, covers 3, trays, etc.).
  • the flange 13 can be made up of a molded and/or machined plate, for example of a material identical to that making up the rest of the cover 3.
  • the flange 13 can in particular form a shutter for an open part of the rest 3 of the cover.
  • cryogenic cooler(s) 4, 40 can be characterized, dimensioned, manufactured and tested independently of the rest of the configuration of the device.
  • these coolers 4, 40 on their support flange 13 can be identical for different ranges of devices.
  • a number of one or more cryogenic refrigerators 4, 40 can be mounted on the cover 13 of a device 1 depending on the needs and specifications. Dismantling, maintenance, repair and replacement are also facilitated.
  • cryogenic cooler(s) on a flange 13 can be placed in the lid 3 in a centered or off-centered manner depending on the geometry of the lid 3 and/or the architecture of the plates 5, 6, 7, 8, 9 or enclosures 23.
  • the cryogenic cooler 4, 40 can be of the type comprising a working fluid circuit subjected to a working cycle and all or part of the components of the working circuit can also be mounted integral with the flange 13 .
  • the flange 13 can carry at least one sealed sheath 15, 16 including cold parts, a dilution refrigeration system 16, a set 17, 21 of pipes for the working fluid, a set of capacity(s) 18 (buffer ) configured (s) to store working fluid, a pumping member 19 of the working fluid, a member 20 for injecting working fluid, a set of connector (s) fluid (s).
  • a pumping device in particular a vacuum pump
  • a set of wiring(s) for example for a thermometry and/or heating system.
  • the flange 13 carries a set of lower components of the cryogenic cooler 4, 40 which protrude from the underside of the flange 13 and which are housed in the enclosure 2 when the flange 13 is mounted on the cover 3 through an orifice 30 for passage of the cover 3.
  • the flange 13 also carries at least a part of upper components which protrude from the upper surface of the flange 13 (and located outside the enclosure 2 in the mounted position).
  • the lower components are dimensioned and/or arranged to pass through the orifice 30 to allow the assembly or disassembly of the flange 13 and the components of the cryogenic cooler associated with respect to the enclosure 2 through the cover 3.
  • the lower components of the cryogenic cooler 4, 40 extend for example in a longitudinal direction which is vertical when the flange 13 is mounted on the cover 3.
  • these lower components of the cryogenic cooler 4, 40 have transverse dimensions by relative to the longitudinal direction which are smaller than the dimensions of the orifice 30 (to allow passage vertically).
  • These lower components of the cryogenic cooler 4, 40 are for example aligned in the longitudinal direction up to a terminal end, forming a column of components. As illustrated, the transverse dimensions of the column are constant or decreasing from the flange 13 towards the terminal end. This allows easy assembly and disassembly through the hole 30 of the cover.
  • cover 3 can be the support for a thermometry box 24 (measuring and/or heating).
  • cover 3 (excluding the flange 13) can be the support for a pump 25 to ensure that the enclosure 2 is placed under vacuum. despite everything still be located on this lid 3.
  • Each cryogenic refrigerator module 4, 40 can be mounted (or dismantled and removed) vertically relative to the rest of the cover 3.
  • the lid 3 may comprise a cutout or recess delimiting an orifice 30 in the lid 3.
  • the flange 13 In the fixed (mounted) position of the flange 13 on the rest of the lid 3, the flange 13 seals off said orifice 30.
  • the cutout or recess in the cover 3 defines for example a complementary concave housing of at least a part of the flange 13 so that in the fixed position the flange 13 is fitted at least partially in said housing.
  • the flange 13 can be fixed to the rest of the cover 3 by a set of fixing pins 14, for example screws.
  • flange 13 is screwed from below cover 3.
  • the device 1 preferably comprises at least one seal 22 interposed between the flange 13 and the rest of the cover 3 (cf. ) and/or at least one seal 22 interposed between the cryogenic cooler 4, 40 and the flange 13 (cf. ).
  • the seal(s) 22 are for example O-rings.
  • the device 1 can comprise a single cryogenic cooler 4 (cf. , ) or several cryogenic coolers 4, 40 (cf. , ) in which each cryogenic cooler 4, 40 is mounted on a respective support flange 13 (a single cryogenic cooler 4, 40 is mounted on a support flange 13).
  • each cryogenic cooler 4, 40 is mounted on a respective support flange 13 (a single cryogenic cooler 4, 40 is mounted on a support flange 13).
  • flange 13 being the support for several cryogenic coolers 4, 40 .
  • the device comprises three cryogenic coolers 4, 40 mounted in the central part of the cover 3 via their respective flanges 13.
  • the passages 10 formed through the lid 3 can be located on the periphery of the cryogenic refrigerators 4, 40.
  • a first cryogenic cooler 4 can be of the mechanical type (pulsed gas tube for example) and configured to cool a first plate 5 above a first cold temperature, for example around 50K and a second plate 6 at a second cold temperature, by example around 5K.
  • the trays 7, 8, 9 are for example cooled to lower and lower temperatures, for example of the order of 800 mK, 50 mK and 3 mK respectively by the dilution refrigerator 16 of the other cryogenic refrigerator 40.
  • cryogenic coolers 4, 40 and trays can be envisaged, for example four mechanical cryogenic refrigerators 4 and two dilution refrigerators.
  • At least one of the cryogenic coolers 4, 40 can be of the type using a cold source of liquefied cycle fluid such as helium, hydrogen or nitrogen. That is to say that the cryogenic cooler 4, 40 is connected to a cold source located outside the enclosure 2, this cold source supplying a flow of liquefied fluid, cooled outside the enclosure , this flow circulates in the cryogenic cooler 4, 40 and is heat exchanged with at least part of the plates 5, 6, 7, 8, 9 in the enclosure 2.
  • a cold source of liquefied cycle fluid such as helium, hydrogen or nitrogen.

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Abstract

Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte (2) délimitant un volume étanche refermé par un couvercle (3, 13), le dispositif (1) comprenant au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté au travers du couvercle (3, 13) et ayant une première extrémité située à l'extérieur de l'enceinte (2) et une seconde extrémité située dans l'enceinte (2), le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif (1) comprenant un ensemble de plateaux (5, 6, 7, 8, 9) conducteurs thermiques disposés dans l'enceinte (2) formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur (4, 40) cryogénique, le dispositif (1) comprenant un ensemble de passages (10,11) formés au travers du couvercle (3) et des plateaux (5, 6, 7, 8, 9) pour le passage étanche de câble(s) et/ou d'appareillage(s) dans l'enceinte (2), caractérisé en ce qu'au moins une partie du couvercle (3, 13) est composée d'une bride (13) formant un support pour le refroidisseur (4, 40) cryogénique, ladite bride (13) portant le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle (3).

Description

Dispositif de réfrigération cryogénique
L’invention concerne un dispositif de réfrigération cryogénique.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte délimitant un volume étanche refermé par un couvercle, le dispositif comprenant au moins un refroidisseur cryogénique monté au travers du couvercle et ayant une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte et une seconde extrémité située dans l’enceinte, le refroidisseur cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif comprenant un ensemble de plateaux conducteurs thermiques disposés dans l’enceinte formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur cryogénique, le dispositif comprenant un ensemble de passages formés au travers du couvercle et des plateaux pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) dans l’enceinte.
L’invention concerne un dispositif de réfrigération permettant de refroidir des éléments à une température cryogénique inférieure à 100K et notamment inférieure à 50K ou inférieure à 4K.
En particulier, l’invention concerne les dispositifs de réfrigération qui permettent de refroidir à des températures très basses, de l’ordre du millikelvin. Ces températures très basses sont classiquement obtenues via un réfrigérateur à dilution.
Un réfrigérateur à dilution utilise un mélange d’hélium 3 et d’hélium 4 dans un circuit de travail comprenant un bouilleur, une chambre de mélange et un organe de mise en circulation du flux d’hélium. Le refroidissement est obtenu au niveau de la chambre de mélange à partir de l'enthalpie de mélange lorsque l'hélium-3 est dilué dans l'hélium 4.
Par exemple, un dispositif de réfrigération possède un circuit 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 de travail comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduite(s), une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert du fluide. Le premier ensemble de conduite(s) est 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 comprend un deuxième ensemble de conduite(s) reliant une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange. Le circuit de travail comprend au moins une première portion d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite(s) et le deuxième ensemble de conduite(s), cette première portion d’échange de chaleur étant située entre le bouilleur et la chambre de mélange. Un organe de refroidissement est généralement prévu en échange thermique avec le circuit de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle.
Un tel réfrigérateur à dilution comprend typiquement plusieurs étages de refroidissement, chaque étage étant configuré pour obtenir une température respective pendant le fonctionnement du réfrigérateur à dilution. Les composants à refroidir peuvent être couplés thermiquement à ces étages pour répondre aux spécificités de l'application.
Ces réfrigérateurs à dilution sont classiquement disposés dans un dispositif de refroidissement cryogénique comprenant une enceinte permettant d’accéder aux parties froides (étages de refroidissement) via des passages dédiés. Un refroidisseur cryogénique mécanique supplémentaire est généralement prévu pour refroidir l’enceinte et fournir des frigories au refroidisseur à dilution.
La fabrication de tels dispositifs de réfrigération est complexe et coûteuse. En particulier, en fonction des spécifications de puissance froide, de surface ou de volume à refroidir, et d’accès requises, le nombre de réfrigérateurs cryogéniques et la géométrie (taille notamment) du dispositif doivent être adaptés. Les liaisons fluidiques et mécaniques des divers composants du dispositif rendent par ailleurs difficiles les opérations de fabrication et 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, 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’au moins une partie du couvercle est composée d’une bride formant un support pour le refroidisseur cryogénique, ladite bride portant le refroidisseur cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle .
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • le couvercle comprend une découpe ou un renfoncement délimitant un orifice dans le couvercle, en position fixée de la bride sur le reste du couvercle, la bride obture de façon étanche ledit orifice,
  • la découpe ou le renfoncement dans le couvercle définit un logement conjugué d’au moins une partie de la bride, en position fixée, la bride étant emboîtée au moins partiellement dans ledit logement,
  • la bride est fixée au reste du couvercle par un ensemble d’axes de fixation, par exemple des vis,
  • le dispositif comprend au moins un joint d’étanchéité interposé entre la bride et le reste du couvercle et/ou au moins un joint interposé entre le refroidisseur cryogénique et la bride,
  • le refroidisseur cryogénique est du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail et en ce que tout ou partie des composants du circuit de travail sont également montés solidaires de la bride,
  • l’un au moins des composants du circuit de travail suivants sont montés solidaires de la bride: au moins une gaine, un système de réfrigération à dilution, un ensemble de tuyauterie pour le fluide de travail, une ensemble de capacité(s) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage du fluide de travail, un organe d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s), un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage, une tresse de liaison thermique, un refroidisseur de type à gaz pulsé, un ou plusieurs interrupteurs thermiques, un ou plusieurs pièges à impureté, un soufflet, un système d’amortissement mécanique,
  • le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs cryogéniques montés sur des brides support respectives,
  • le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs cryogéniques montés sur une même bride,
  • le dispositif comprend au moins un refroidisseur cryogénique parmi ; un refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling, et/ou au moins parmi : un réfrigérateur du type à dilution, un réfrigérateur de type Joule-Thompson à He3 ou He4, un réfrigérateur à désaimantation adiabatique,
  • le dispositif comprend au moins un refroidisseur cryogénique monté en partie centrale du couvercle via sa bride et un ensemble de plusieurs passages formés au travers du couvercle et situés en périphérie du au moins un réfrigérateur cryogénique.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d’un dispositif de réfrigération cryogénique selon l’invention,
représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple d’un module de refroidisseur cryogénique pouvant être utilisé dans un tel dispositif de réfrigération cryogénique,
représente une vue en perspective, schématique et partiellement coupée, illustrant un exemple d’un détail d’un dispositif de réfrigération cryogénique selon l’invention,
représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un exemple d’un couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration démontée,
représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un autre exemple de couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration montée,
représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant un autre exemple de couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration montée,
représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un autre exemple d’un couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration démontée.
Le dispositif 1 de réfrigération cryogénique illustré à la comprend une enceinte 2 délimitant un volume étanche refermé par un couvercle 3, 13 supérieur. Ce type de dispositif 1 est parfois appelé « cryostat ». L’enceinte 2 est par exemple cylindrique et peut être composée d’acier inoxydable ou d'aluminium par exemple. En fonctionnement, le volume intérieur de l’enceinte 2 peut être mis sous vide à des fins d’isolation thermique notamment.
Le dispositif 1 comprend, dans l’exemple de la , deux refroidisseurs 4, 40 cryogéniques montés au travers du couvercle 3, 13 et ayant chacun une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte 2 (à température ambiante) et une seconde extrémité située dans l’enceinte 2 (à température cryogénique en fonctionnement). Chaque refroidisseur 4, 40 cryogénique est configuré pour produire ou fournir une puissance froide au niveau de sa seconde extrémité.
Le dispositif 1 comprend un ensemble de plateaux 5, 6, 7, 8, 9 conducteurs thermiques répartis verticalement dans l’enceinte 2 et formant des étages thermiques refroidis par au moins des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (par exemple du haut vers le bas les plateaux sont refroidis à des températures cryogéniques décroissantes). Les plateaux 5, 6, 7, 8, 9 sont composés d’un matériau conducteur thermique, par exemple du cuivre ou tout autre alliage ou tout matériau approprié. Les plateaux 5, 6, 7, 8, 9 peuvent être espacés les uns des autres par des tiges à faible conductivité thermique (non représentées par souci de simplification).
De façon connue en soi, au moins un des plateaux 5 ,6 ,7 8, 9 peut être le support pour divers appareils ou échantillons à refroidir à basse température, par exemple des puces quantiques, et/ou des circuits ou capteurs supraconducteurs.
Chaque plateau 5, 6, 7, 8, 9 peut être relié à un écran 23 thermique qui vient englober tout ou partie des plateaux inférieurs suivants. C’est-à-dire que les écrans 23 forment des volumes qui sont contenus les uns dans les autre (volumes « gigognes »). Tout ou partie des écrans 23 peuvent être refroidis par un refroidisseur 4, 40 cryogénique par couplage thermique.
Le dispositif 1 comprend un ensemble de passages 10, 11 formés au travers du couvercle 3 et des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) (sonde(s) ou autre) dans l’enceinte 2 et par exemple pour l’accès aux plateaux 5, 6, 7, 8, 9. En particulier, les orifices 10, 11 peuvent être prévus dans le dispositif 1 pour permettre à une "sonde" expérimentale de passer à l'intérieur de l’enceinte 2 pour fournir un échantillon à refroidir tout en maintenant un vide à l'intérieur de l’enceinte 2.
Le ou les refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (deux dans l’exemple de la , sont prévus pour fournir une puissance froide dans l’enceinte 2 en vue de refroidir les plateaux (et écrans thermiques le cas échéant) à des températures déterminées.
Le dispositif 1 comprend en particulier au moins un refroidisseur 4 cryogénique de type « mécanique » par exemple un refroidisseur cryogénique tel qu’refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling. Alternativement ou cumulativement, le dispositif 1 peut comprendre en particulier au moins un refroidisseur 40 cryogénique de type à dilution.
Selon une particularité avantageuse, au moins une partie du couvercle 3, 13 est composée d’une bride 13 formant un support pour un refroidisseur 4, 40 cryogénique, ladite bride 13 portant le refroidisseur 4, 40 cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle 3.
C’est-à-dire que au moins une partie des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (et de préférence tous les refroidisseurs 4, 40 cryogéniques) sont montés sur une ou des brides 13 qui sont démontables du reste du couvercle 3.
Ceci permet de rendre amovible et relativement indépendant le ou les refroidisseurs cryogéniques 4, 40 du reste du dispositif. Les refroidisseurs 4, 40 peuvent être montés, testés séparément du reste du dispositif et peuvent être standards et montés sur différents types de dispositifs 1 (différentes géométries d’enceintes 2, de couvercles 3, de plateaux…).
La bride 13 peut être composée d’une plaque moulée et/ou usinée, par exemple en matériau identique à celui composant le reste du couvercle 3. La bride 13 peut en particulier former un obturateur d’une partie ouverte du reste 3 du couvercle.
En particulier, le ou les refroidisseurs cryogéniques 4, 40 peuvent être caractérisés, dimensionnés, fabriqués et testés indépendamment du reste de la configuration du dispositif.
Par exemple, ces refroidisseurs 4, 40 sur leur bride 13 support peuvent être identiques pour différentes gammes de dispositifs. Un nombre d’un ou plusieurs réfrigérateurs cryogéniques 4, 40 peut être monté le couvercle 13 d’un dispositif 1 en fonction des besoins et spécifications. Le démontage, l’entretien, la réparation, le remplacement sont également facilités.
Un même module (refroidisseur(s) cryogénique(s) sur une bride 13) peut être placé dans le couvercle 3 de façon centrée ou excentrée selon la géométrie du couvercle 3 et/ou de l’architecture des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 ou des enceintes 23. Le refroidisseur 4, 40 cryogénique peut être du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail et tout ou partie des composants du circuit de travail peuvent également être montés solidaires de la bride 13.
Comme illustré par exemple à la , la bride 13 peut porter au moins une gaine 15, 16 étanche englobant des parties froides, un système 16 de réfrigération à dilution, un ensemble 17, 21 de tuyauteries pour le fluide de travail, un ensemble de capacité(s) 18 (tampon) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage 19 du fluide de travail, un organe 20 d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s). Bien entendu seulement une partie de ces composants peut être montée sur la bride 13 et/ou d’autres composants peuvent être montés sur la bride 13 comme par exemple un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage.
Ainsi, la bride 13 porte un ensemble de composants inférieurs du refroidisseur cryogénique 4, 40 qui font saillie sur la face inférieure de la bride 13 et qui sont logés dans l’enceinte 2 lorsque la bride 13 est montée sur le couvercle 3 au travers d’un orifice 30 de passage du couvercle 3.
La bride 13 porte également au moins une partie de composants supérieurs qui font saillie sur la surface supérieure de la bride 13 (et situés hors de l’enceinte 2 en position montée).
Les composants inférieurs sont dimensionnés et/ou agencés pour passer au travers de l’orifice 30 pour permettre le montage ou le démontage de la bride 13 et des composants du refroidisseur cryogénique associés par rapport à l’enceinte 2 au travers du couvercle 3.
Les composants inférieurs du refroidisseur cryogénique 4, 40) s’étendent par exemple selon une direction longitudinale qui est verticale lorsque la bride 13 est montée sur le couvercle 3. De plus, ces composants inférieurs du refroidisseur cryogénique 4, 40 ont des dimensions transversales par rapport à la direction longitudinale qui sont inférieures aux dimensions de l’orifice 30 (pour permettre le passage verticalement).
Ces composants inférieurs du refroidisseur cryogénique 4, 40 sont par exemple alignés selon la direction longitudinale jusqu’à une extrémité terminale en formant une colonne de composants. Comme illustré, les dimensions transversales de la colonne sont constantes ou décroissantes de la bride 13 vers l’extrémité terminale. Ceci permet un montage et démontage aisé au travers de l’orifice 30 du couvercle.
Les autres composants (non directement liés au fonctionnement du refroidisseur cryogénique) peuvent être montés sur le reste du couvercle 3. Par exemple, comme illustré à la , le couvercle 3 (hors bride 13) peut être le support d’un boîtier 24 de thermométrie (mesurant et/ou chauffant). De même, le couvercle 3 (hors bride 13) peut être le support d’une pompe 25 pour assurer la mise sous vide de l’enceinte 2. De plus un raccord 26 ou système de pompage fluidique de fluide de la réfrigération à dilution peut malgré tout être encore situé sur ce couvercle 3.
Chaque module de réfrigérateur cryogénique 4, 40 peut être monté (ou démonté et retiré) verticalement par rapport au reste du couvercle 3.
Comme visible notamment aux et , le couvercle 3 peut comprendre une découpe ou renfoncement délimitant un orifice 30 dans le couvercle 3. En position fixée (montée) de la bride 13 sur le reste du couvercle 3, la bride 13 obture de façon étanche ledit orifice 30.
Le découpe ou renfoncement dans le couvercle 3 définit par exemple un logement concave complémentaire d’au moins une partie de la bride 13 de sorte qu’en position fixée la bride 13 est emboîtée au moins partiellement dans ledit logement.
Comme visible notamment aux et , la bride 13 peut être fixée au reste du couvercle 3 par un ensemble d’axes 14 de fixation, par exemple des vis. Par exemple la bride 13 est vissée par le dessous du couvercle 3.
Comme schématisé, le dispositif 1 comprend de préférence au moins un joint 22 d’étanchéité interposé entre la bride 13 et le reste du couvercle 3 (cf. ) et/ou au moins un joint 22 d’étanchéité interposé entre le refroidisseur 4, 40 cryogénique et la bride 13 (cf. ). Le ou les joints 22 sont par exemple toriques.
Comme illustré, le dispositif 1 peut comprendre un seul refroidisseur 4 cryogénique (cf. , ) ou plusieurs refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (cf. , ) dans lesquels chaque refroidisseur 4, 40 cryogénique est monté sur une bride 13 support respective (un seul refroidisseur 4, 40 cryogénique est monté sur une bride 13 support). Bien entendu, il est possible d’envisager qu’une même bride 13 soit le support de plusieurs refroidisseurs 4, 40 cryogéniques.
Dans l’exemple de la le dispositif comprend trois refroidisseurs 4, 40 cryogéniques montés en partie centrale du couvercle 3 via leur brides 13 respectives. Les passages 10 formés au travers du couvercle 3 peuvent être situés en périphérie des réfrigérateurs 4, 40 cryogéniques.
Dans l’exemple de la un premier refroidisseur cryogénique 4 peut être du type mécanique (tube à gaz pulsé par exemple) et configuré pour refroidir un premier plateau 5 supérieur à une première température froide, par exemple autour de 50K et un second plateau 6 à une seconde température froide, par exemple autour de 5K. Les plateaux 7, 8, 9 sont par exemple refroidis à des températures de plus en plus basses, par exemple de l’ordre respectivement de 800mK, 50mK et 3mK par le réfrigérateur 16 à dilution de l’autre réfrigérateur 40 cryogénique.
Bien entendu, toute autre combinaison de refroidisseurs 4, 40 cryogéniques et plateaux peut être envisagée, par exemple quatre réfrigérateurs cryogéniques 4 mécaniques et deux réfrigérateurs à dilution.
Alternativement ou cumulativement, au moins un des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques peut être du type utilisant une source froide de fluide de cycle liquéfié tel que de l’hélium, de l’hydrogène ou de l’azote. C’est-à-dire que le refroidisseur cryogénique 4, 40 est connecté à une source froide située à l’extérieur de l’enceinte 2, cette source froide fournissant un flux de fluide liquéfié, refroidi à l’extérieur de l’enceinte, ce flux circule dans le refroidisseur cryogénique 4, 40 et est mis en échange thermique avec au moins une partie des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 dans l’enceinte 2.

Claims (12)

  1. Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte (2) délimitant un volume étanche refermé par un couvercle (3, 13), le dispositif (1) comprenant au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté au travers du couvercle (3, 13) et ayant une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte (2) et une seconde extrémité située dans l’enceinte (2), le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif (1) comprenant un ensemble de plateaux (5, 6, 7, 8, 9) conducteurs thermiques disposés dans l’enceinte (2) formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur (4, 40) cryogénique, le dispositif (1) comprenant un ensemble de passages (10,11) formés au travers du couvercle (3) et des plateaux (5, 6, 7, 8, 9) pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) dans l’enceinte (2),au moins une partie du couvercle (3, 13) étant composée d’une bride (13) formant un support pour le refroidisseur (4, 40) cryogénique, ladite bride (13) portant le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle (3), le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail, tout ou partie des composants du refroidisseur (4, 40) cryogénique et notamment du circuit de travail étant également montés solidaires de la bride (13) caractérisé en ce que le refroidisseur cryogénique comprend au moins l’un au moins des composants suivants monté solidaire de la bride (13) : au moins une gaine (15, 16), un système (16) de réfrigération à dilution, un ensemble (17, 21) de tuyauterie pour le fluide de travail, un ensemble de capacité(s) (18) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage (19) du fluide de travail, un organe (20) d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s), un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage, une tresse de liaison thermique, un refroidisseur de type à gaz pulsé, un ou plusieurs interrupteurs thermiques, un ou plusieurs pièges à impureté, un soufflet, un système d’amortissement mécanique.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bride (13) porte un ensemble de composants inférieurs du refroidisseur cryogénique (4, 40) faisant saillie sur la face inférieure de la bride (13) et qui sont logés dans l’enceinte (2) lorsque la bride (13) est montée sur le couvercle (3) au travers d’un orifice (30) de passage du couvercle (3), et en ce que ces composants inférieurs sont dimensionnés et/ou agencés pour passer au travers de l’orifice (30) pour permettre le montage ou le démontage de la bride (13) et des composants du refroidisseur cryogénique associés par rapport à l’enceinte (2) au travers du couvercle (3).
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les composants inférieurs du refroidisseur cryogénique (4, 40) faisant saillie sur la face inférieure de la bride (13) s’étendent selon une direction longitudinale qui est verticale lorsque la bride (13) est montée sur le couvercle (3) et en ce que ces composants inférieurs du refroidisseur cryogénique (4, 40) ont des dimensions transversales par rapport à la direction longitudinale qui sont inférieures aux dimensions de l’orifice (30).
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les composants inférieurs du refroidisseur cryogénique (4, 40) sont alignés selon la direction longitudinale jusqu’à une extrémité terminale en formant une colonne de composants et en ce que les dimensions transversales de la colonne sont constantes ou décroissantes de la bride (13) vers l’extrémité terminale.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le couvercle (3) comprend une découpe ou un renfoncement délimitant l’orifice (30) dans le couvercle (3) et en ce que, en position fixée de la bride (13) sur le reste du couvercle (3), la bride (13) obture de façon étanche ledit orifice (30).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la découpe ou le renfoncement dans le couvercle (3) définit un logement conjugué d’au moins une partie de la bride (13), en position fixée, la bride (13) étant emboîtée au moins partiellement dans ledit logement.
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bride (13) est fixée au reste du couvercle (3) par un ensemble d’axes (14) de fixation, par exemple des vis.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un joint (22) d’étanchéité interposé entre la bride (13) et le reste du couvercle (3) et/ou au moins un joint (22) interposé entre le refroidisseur (4, 40) cryogénique et la bride (13).
    .
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs (4, 40) cryogéniques montés sur des brides (13) support respectives.
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs (4, 40) cryogéniques montés sur une même bride (13).
  11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique parmi ; un refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling, et/ou au moins parmi : un réfrigérateur du type à dilution, un réfrigérateur de type Joule-Thompson à He3 ou He4, un réfrigérateur à désaimantation adiabatique.
  12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté en partie centrale du couvercle (3) via sa bride (13) et un ensemble de plusieurs passages (10) formés au travers du couvercle (3) et situés en périphérie du au moins un réfrigérateur (4, 40) cryogénique.
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