PROCÉDÉ DE RÉFRIGÉRATION, BOÎTE FROIDE ET INSTALLATION CRYOGÉNIQUE CORRESPONDANTES

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction ainsi qu'un procédé correspondant.

[0002] Elle concerne plus particulièrement un procédé de réfrigération utilisant un gaz de travail tel que l'hélium pur ou un mélange gazeux contenant de l'hélium.

[0003] Il est connu d'alimenter un utilisateur industriel en frigories au moyen d'un gaz de travail, circulant en circuit fermé ou bien en circuit ouvert et soumis à un processus de refroidissement, qui repose généralement sur un cycle comprenant une compression suivie de détentes et/ou de passages par des échangeurs thermiques.

[0004] A ce titre, il est connu de faire circuler le gaz de travail, après compression, dans une boîte froide (« cold box ») qui peut notamment comprendre des turbines de détente et/ou une pluralité d'échangeurs de chaleur.

[0005] Cependant, l'une des difficultés liées à la conception et à la mise en oeuvre de telles installations cryogéniques tient à la nécessité de satisfaire à des exigences contradictoires selon que le procédé de réfrigération se trouve en régime transitoire de mise en froid, ou bien en régime établi (ou « opération normale ») de maintien d'une très basse température. Un procédé de réfrigération selon le préambule de la revendication 1 et une boîte froide selon le préambule de la revendication 11 sont connus du document FR2919713A1.

[0006] En effet, en régime établi, c'est-à-dire lorsque l'installation cryogénique sert uniquement à entretenir l'alimentation de l'utilisateur en frigories pour maintenir et stabiliser ledit utilisateur à une température de fonctionnement basse prédéterminée (par exemple de l'ordre de 80K), il est nécessaire d'employer des échangeurs très performants, typiquement des échangeurs en aluminium à plaques (ondulées) et ailettes brasées (« brazed aluminium heat exchanger »), qui limitent les pertes de charge et optimisent le rendement thermique.

[0007] De tels échangeurs en aluminium souffrent cependant de certaines limitations, notamment du fait qu'il ne supportent pas, mécaniquement, les contraintes résultant d'un fort gradient thermique entre les fluides qui les traversent, en particulier lorsque la circulation desdits fluides s'opère à contre-courant.

[0008] Or, d'importants gradients de température apparaissent justement en régime transitoire, et notamment lors de la mise en froid, c'est-à-dire lorsque l'utilisateur doit être amené d'une température de départ relativement élevée (typiquement supérieure à 150K, et généralement supérieure ou égale à 300K) à une température de fonctionnement relativement basse (par exemple de l'ordre de 80K).

[0009] Bien entendu, il convient de protéger les échangeurs en aluminium brasé pendant ce régime transitoire, qui peut parfois s'étendre sur une longue période, et par exemple atteindre quelques dizaines de jours dans le cas d'une installation cryogénique servant à refroidir des aimants à supraconducteurs.

[0010] Au sein des installations cryogéniques connues, il a donc été envisagé, afin de concilier les impératifs susmentionnés, de multiplier les équipements, et notamment d'adjoindre à l'entrée de la boîte froide un ou plusieurs systèmes de refroidissement auxiliaires, utilisant des capacités (bains) d'azote liquide, et de prévoir un complexe circuit de commutation permettant de diriger sélectivement le flux de gaz de travail à travers lesdits systèmes auxiliaires, et ce afin de modifier la configuration de l'installation cryogénique au cas par cas, selon le régime de fonctionnement.

[0011] Malgré de telles dispositions, les installations cryogéniques connues peuvent présenter des performances inégales entre le régime transitoire et le régime établi, en étant moins bien adaptées à un régime de fonctionnement qu'à l'autre.

[0012] En outre, lesdites installations cryogéniques présentent un encombrement important et une structure complexe, coûteuse à mettre en place et à entretenir.

[0013] Les objets assignés à l'invention visent par conséquent à remédier aux inconvénients susmentionnés et à proposer un nouveau procédé de réfrigération, efficace et polyvalent, qui permette d'obtenir, quel que soit le régime de fonctionnement, et au moyen d'une installation cryogénique simple et compacte, un refroidissement performant et respectueux de ladite installation cryogénique.

[0014] Les objets assignés à l'invention sont atteints au moyen d'un procédé de réfrigération selon la revendication 1 et une boîte froide selon la revendication 11. En interposant, en aval du premier échangeur en aluminium, et en amont du troisième échangeur également en aluminium, un second échangeur intermédiaire à plaques soudées, en acier inoxydable (ou dans un autre alliage adapté, de préférence distinct de l'aluminium), capable de supporter de forts gradients de température entre les fluides qui échangent de la chaleur par son intermédiaire, et en forçant au moins une partie, le cas échéant la majeure partie, voire l'intégralité, du flux de gaz de travail à passer par ce second échangeur, on préserve en toutes circonstances la boîte froide, et notamment les échangeurs en aluminium, des contraintes thermo-mécaniques.

[0015] En effet, puisque le second échangeur supporte sans dommages de forts gradients de température, il peut traiter à lui seul un refroidissement du gaz de travail de forte amplitude (typiquement d'amplitude supérieure ou égale à 100K, à 150 K, voire à 200K) représentant une part importante, voire (largement) majoritaire, de l'abaissement souhaité de la température du gaz de travail.

[0016] En "absorbant" lui-même la plus grande part de l'écart de température à traiter pour refroidir convenablement le gaz de travail, le second échangeur ne laisse ainsi à la charge des autres échangeurs (premier échangeur et, surtout, troisième échangeur), plus performants mais plus fragiles, qu'une faible amplitude résiduelle de refroidissement (typiquement inférieure ou égale à 50 K, voire inférieure ou égale à 30 K), nettement inférieure à celle traitée par ledit second échangeur.

[0017] L'amplitude de refroidissement résiduelle affectée à chacun des premier et troisième échangeurs n'excède ainsi jamais le gradient de température toléré par l'échangeur concerné.

[0018] Le second échangeur protégeant ainsi efficacement le premier et le troisième échangeur contre les "surcharges" thermiques, la longévité et les performances de ces derniers s'en trouvent accrues.

[0019] C'est pourquoi le procédé convient tout particulièrement à la mise en froid d'un utilisateur relativement « chaud », dont la température initiale dépasse 150K au moment où le processus de refroidissement selon l'invention est mis en oeuvre.

[0020] Par ailleurs, la présence d'échangeurs en aluminium à plaques et ailettes tend à préserver les performances thermiques du procédé, notamment lorsqu'il s'agit d'amener le gaz de travail à basse température au niveau du troisième échangeur (après la forte chute de température provoquée par le second échangeur).

[0021] Ces performances se vérifient en particulier avantageusement en régime établi, lors de l'étape (b) de maintien en froid, lorsque ledit procédé est mis en oeuvre pour entretenir l'état d'un utilisateur « froid » (dont la température utilisateur est typiquement inférieure à 95 K, et par exemple de l'ordre de 80 K).

[0022] En outre, le fait de maintenir, en régime établi de maintien en froid, une circulation au moins partielle, voire totale, du flux de gaz de travail à travers le second échangeur (à plaques soudées), en plus de la circulation finale dans le troisième échangeur (en aluminium brasé), permet une prise en charge d'une partie du refroidissement par le second échangeur, en amont du troisième échangeur, de telle sorte qu'il est possible de recourir à un troisième échangeur moins volumineux qu'auparavant.

[0023] Bien entendu, la réduction de la taille du troisième échangeur, rendue possible par cette exploitation du second échangeur, contribue à améliorer la compacité de la boîte froide.

[0024] En définitive, en mettant à profit une sélection et un enchaînement judicieux d'échangeurs de chaleur et en proposant une gestion simplifié du flux de gaz de travail au sein desdits échangeurs, qui sont tous traversés successivement par le gaz de travail, le procédé conforme à l'invention se révèle particulièrement polyvalent, puisqu'il permet de gérer efficacement, et au moyen d'une structure de boîte froide particulièrement simple et compacte, toutes les situations de vie de l'installation cryogénique, depuis la mise en froid de l'utilisateur jusqu'au maintien à basse température dudit utilisateur (et, le cas échéant, jusqu'au réchauffement et au retour à température ambiante de l'utilisateur en fin de cycle de refroidissement).

[0025] En pratique, le procédé conforme à l'invention permet donc avantageusement de cumuler les avantages des échangeurs en aluminium en termes de performances thermiques, notamment à très basse température, avec la robustesse thermo-mécanique de l'échangeur intermédiaire à plaques soudées.

[0026] D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide de la figure 1 annexée, fournie à titre purement illustratif et non limitatif.

[0027] Ladite figure 1 représente, selon une vue schématique, la mise en oeuvre d'un procédé de réfrigération selon l'invention.

[0028] La présente invention concerne un procédé de réfrigération, au cours duquel on alimente en frigories un utilisateur 1, se trouvant à une température dite « température utilisateur » T1, au moyen d'un gaz de travail, tel que de l'hélium, que l'on refroidit dans un circuit de réfrigération 2.

[0029] L'utilisateur 1 peut être une installation industrielle de toute nature, requérant une alimentation en frigories.

[0030] Selon une variante de mise en oeuvre préférentielle, le procédé sera destiné à alimenter en froid des câbles supraconducteurs, par exemple au sein d'électro-aimants destinés à confiner un plasma.

[0031] Le procédé peut être le cas échéant un procédé de liquéfaction d'un gaz, et en particulier un procédé de liquéfaction d'azote ou de tout autre gaz, par exemple de l'hélium.

[0032] Le gaz de travail peut notamment être de l'hélium pur ou un mélange gazeux contenant de l'hélium.

[0033] De préférence, on fera circuler ledit gaz de travail en boucle, dans un circuit de réfrigération 2 fermé permettant de recycler ledit gaz de travail, et ainsi de le soumettre continûment à ces cycles répétés de compression/ refroidissement, et éventuellement détente.

[0034] L'invention concerne bien entendu également un circuit de réfrigération 2, et plus globalement une installation cryogénique permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé.

[0035] Selon l'invention, et tel que cela est illustré sur la figure 1, le circuit de réfrigération 2 comprend au moins une station de compression 3, dans laquelle on comprime ledit gaz de travail, puis au moins une boîte froide 4 (« cold box ») dans laquelle on refroidit le gaz de travail en le faisant passer à travers une pluralité d'échangeurs de chaleur 5, 15, 25, en l'espèce un premier échangeur 5, un second échangeur 15, et un troisième échangeur 25.

[0036] Selon une variante possible de réalisation, ladite boîte froide peut comprendre également au moins une turbine de détente (non représentée), destinée à refroidir le gaz de travail en le soumettant à une détente adiabatique ou quasi-adiabatique.

[0037] Tel que cela est illustré sur la figure 1, le circuit de réfrigération 2 alimente en frigories l'utilisateur 1 à travers un système d'échange de chaleur 6 approprié connecté en aval du troisième échangeur 25.

[0038] Le gaz de travail qui ressort du système d'échange 6 après avoir cédé des frigories à l'utilisateur retourne ensuite à la station de compression 3 en empruntant une conduite de retour 7.

[0039] Selon une variante de réalisation, la boîte froide 4 pourra comprendre deux circuits de réfrigération 2 identiques fonctionnant en parallèle, c'est-à-dire recevant chacun une partie du le flux de gaz de travail issu de la station de compression 3 et refroidissant chacun la part de gaz de travail qui leur est affectée avant de diriger, en sortie de boîte froide, ledit gaz de travail vers l'utilisateur 1.

[0040] Selon l'invention, le procédé comporte une étape (a) de mise en froid (« cool down »), au cours de laquelle on utilise, lors d'une première phase (a1) de mise en froid, les frigories apportées par le gaz de travail refroidi pour faire baisser la température utilisateur T1, alors que ladite température utilisateur T1 est supérieure à 150K, et/ou, à titre alternatif ou complémentaire à ladite étape (a) de mise en froid, une étape (b) de maintien en froid (« opération normale »), au cours de laquelle on utilise les frigories apportées par le gaz de travail refroidi, alors que la température utilisateur T1 se trouve en-deçà d'une consigne de froid, inférieure à 95K, de manière à maintenir la température utilisateur T1 sous ladite consigne de froid.

[0041] Selon l'invention, lors de la première phase (a1) de l'étape (a) de mise en froid et/ou, respectivement, lors de l'étape (b) de maintien en froid, on refroidit le gaz de travail en faisant circuler ledit gaz de travail dans une boîte froide 4 qui comporte en série au moins un premier échangeur de chaleur 5 en aluminium à plaques et ailettes brasées, un second échangeur de chaleur 15 à plaques soudées, et un troisième échangeur de chaleur 25 en aluminium à plaques et ailettes brasées, de telle manière que l'on fait passer au moins 1%, et de préférence au moins 4%, du flux dudit gaz de travail, qui est issu de la station de compression 3 et qui entre dans la boîte froide (4), à travers le second échangeur 15, puis ensuite au moins 1%, et de préférence au moins 4%, dudit flux de gaz de travail à travers le troisième échangeur 25, avant de diriger ledit flux de gaz de travail, et plus particulièrement l'intégralité du flux de gaz passé par la boîte froide 4, vers l'utilisateur 1 pour alimenter ce dernier en frigories.

[0042] En pratique, la quantité minimale de gaz de travail traversant le second échangeur 15, et ou le troisième échangeur 25, pourra notamment être comprise entre 4% et 5%, et par exemple de l'ordre de 4,8%.

[0043] Par commodité de description, on considérera que le flux du gaz de travail, et les proportions dudit flux de gaz exprimées en pourcentages, correspondent au débit massique du gaz de travail (fluide frigorigène), et, respectivement à des pourcentages dudit débit massique.

[0044] En prévoyant une traversée systématique, à chaque cycle de travail, d'au moins une partie (non nulle), voire d'une majorité, du gaz de travail d'une part à travers le second échangeur 15 à plaques soudées, particulièrement résistant aux forts gradients de température, et d'autre part à travers le troisième échangeur 25 en aluminium à plaques et ailettes, particulièrement performant thermiquement à basse température, on parvient à gérer efficacement la réfrigération aussi bien pendant les régimes transitoires, et notamment pendant la première phase (a1) de mise en froid d'un utilisateur « tiède » ou « chaud » (dont la température T1 dépasse initialement les 150K), le second échangeur 15 supportant alors l'essentiel du choc thermique, que pendant le régime établi de maintien en froid, pendant lequel le troisième échangeur 25 joue alors un rôle prépondérant.

[0045] Par ailleurs, le schéma de circulation du gaz de travail est de préférence tel que, pendant l'étape (a) de mise en froid, et plus particulièrement sa première phase (a1), ou pendant l'étape (b) de maintien en froid, et de préférence pendant l'ensemble de ces étapes, on dirige la majorité, c'est-à-dire plus de 50%, de préférence plus de 75%, plus de 80%, voire plus de 90%, ou bien même, de façon préférentielle, la totalité, soient 100%, du gaz de travail qui entre dans la boîte froide 4, et la cas échéant, plus globalement, du gaz de travail qui sort, à « haute pression » (en pratique à environ 18 bar), de la station de compression 3, vers le premier échangeur 5, de manière à ce que cette majorité, voire la totalité, du flux dudit gaz de travail qui entre dans la boîte froide 4 traverse effectivement ledit premier échangeur 5 pour y être refroidie.

[0046] Ainsi, et selon ce qui peut constituer une invention à part entière, notamment lors de l'étape (b) de maintien en froid, on fait de préférence passer la majorité, et préférentiellement la totalité, du flux de gaz de travail qui entre dans la boîte froide 4 d'abord à travers le premier échangeur 5, avant de faire passer tout ou partie dudit flux de gaz de travail à travers le second échangeur 15 puis tout ou partie dudit flux de gaz de travail à travers le troisième échangeur 25. Le fait d'exploiter simultanément, au moins pour partie de leur capacité de traitement, les trois échangeurs 5, 15, 25 présents au sein de la boîte froide, et ce que l'on se trouve en situation de mise en froid ou de maintien en froid, permet d'améliorer l'efficacité d'ensemble de la boîte froide 4 tout en limitant l'encombrement individuel de chaque échangeur 5, 15, 25, et par conséquent l'encombrement global de ladite boîte froide 4.

[0047] A ce titre, on notera notamment que l'association en série du second échangeur 15 et du troisième échangeur 25 pendant (au moins) l'étape (b) de maintien en froid permet avantageusement d'optimiser le refroidissement à très basse température, en répartissant ledit refroidissement successivement sur lesdits second et troisième échangeurs 15, 25, ce qui évite d'avoir à sur-dimensionner lesdits échangeurs 15, 25.

[0048] Selon une variante préférentielle de mise en oeuvre, qui peut concerner aussi bien l'étape (a) de mise en froid (et notamment sa première phase (a1)) que l'étape (b) de maintien en froid, la totalité du flux de gaz de travail qui traverse le second échangeur 15 traverse ensuite également le troisième échangeur 25.

[0049] On peut ainsi avantageusement combiner le second et le troisième échangeur 15, 25 en cascade, et donc améliorer les performances de la boîte froide sans nuire à sa compacité, et ce tout en utilisant à cet effet une simple tubulure reliant directement lesdits échangeurs 15, 25, ce qui réduit le coût de la boîte froide 4 et limite les pertes de charge.

[0050] De préférence, l'étape (a) de mise en froid, et plus particulièrement la première phase (a1) de mise en froid, est mise en oeuvre alors que la température utilisateur T1 initiale est supérieure ou égale à 200 K, à 250 K, à 300 K, voire à 350 K.

[0051] De préférence, le procédé, et plus particulièrement la première phase (a1) de l'étape (a) de mise en froid, sera mis en oeuvre pour alimenter un (ou des) utilisateurs dont la température T1 n'excèdera pas 450 K, et de préférence 400 K.

[0052] Plus globalement, la première phase (a1) de l'étape (a) de mise en froid pourra être mise en oeuvre alors que, ou même aussi longtemps que, la température utilisateur T1 est comprise entre 150 K (strictement) et 400 K, et plus particulièrement entre 150 K (strictement) et 350 K, par exemple entre 250 K et 350 K, voire entre 250 K et 300K.

[0053] Avantageusement, la circulation permanente du gaz de travail à travers le second échangeur 15 garantit en effet à tout moment une protection de la boîte froide 4 contre les effets des forts écarts de température, ce qui confère une grande polyvalence au procédé, qui peut ainsi prendre directement en charge aussi bien des utilisateurs « froids » (dont la température T1 est inférieure à 95K, et notamment comprise entre 70K et (strictement) 95K) que des utilisateurs « chauds » (typiquement à température T1 supérieure (strictement) à 150 K, et notamment à température T1 ambiante voisine de 300K), voire des utilisateurs « très chauds » (dont la température T1 peut par exemple atteindre 350K voire 400K).

[0054] Selon une variante de mise en oeuvre du procédé, et en particulier lors de l'étape (b) de maintien en froid, la majorité, voire la totalité du flux de gaz de travail qui entre dans la boîte froide 4, et qui traverse de préférence le premier échangeur 5, traverse ensuite le second échangeur 15, situé en aval du premier échangeur 5, de manière à y céder (une seconde fois) de la chaleur et ainsi poursuivre son refroidissement.

[0055] De même, selon cette variante de mise en oeuvre, la majorité, voire la totalité du flux de gaz de travail traverse ensuite le troisième échangeur 25, situé en aval du second échangeur 15, de manière à y céder (une troisième fois) de la chaleur et ainsi poursuivre son refroidissement.

[0056] Dans l'absolu, il n'est pas exclu de prévoir, au sein de la boîte froide 4, une ou des vannes de soutirage permettant de diriger ponctuellement une partie du gaz de travail hors du circuit de refroidissement 2, ou bien encore un ou des tronçons de dérivation (« by-pass ») permettant de contourner (court-circuiter) l'un ou l'autre des premier, second ou troisième échangeur 5, 15, 25, de sorte à dévier une partie, de préférence minoritaire (c'est-à-dire de préférence strictement inférieure à 50%, à 25 %, à 20 % voire à 10%), du flux de gaz de travail pour que cette dernière ne traverse pas l'échangeur concerné (mais reste néanmoins dans le circuit fermé).

[0057] Toutefois, de façon préférentielle, pendant l'étape (b) de maintien en froid, le flux de gaz de travail qui traversera le premier échangeur 5 sera ensuite intégralement collecté à la sortie dudit premier échangeur 5 et acheminé dans son ensemble à travers le second échangeur 15.

[0058] De même, et de préférence en combinaison avec la liaison susmentionnée entre le premier et le second échangeur, le flux de gaz de travail issu du second échangeur 15 sera de préférence intégralement collecté à la sortie dudit second échangeur 15 et acheminé dans son ensemble à travers le troisième échangeur 25, pendant cette même étape (b) de maintien en froid.

[0059] De façon particulièrement préférentielle, selon un agencement particulièrement simplifié de boîte froide 4, et de préférence lors du régime établi de maintien en froid, la totalité du flux de gaz de travail issu de la station de compression 3 pourra être envoyé au premier échangeur 5, puis au second échangeur 15, puis au troisième échangeur 25, de telle sorte que la totalité du flux de gaz de travail traversera successivement le premier échangeur 5, puis le second échangeur 15, puis le troisième échangeur 25 au cours d'un même cycle de travail (c'est-à-dire au cours d'un même "tour" de circuit de réfrigération 2), avant d'alimenter l'utilisateur 1, puis de retourner vers la station de compression 3.

[0060] De préférence, l'étape (a) de mise en froid se poursuit, après la première phase (a1) de mise en froid, par une seconde phase (a2) de mise en froid au cours de laquelle on prolonge le refroidissement engagé lors de la première phase (a1) de mise en froid jusqu'à ce que la température utilisateur (T1) atteigne la consigne de froid.

[0061] Une fois la consigne de froid atteinte, on enclenche ensuite de préférence l'étape (b) de maintien en froid, tout en conservant une circulation du gaz de travail à travers le second échangeur 15.

[0062] Ainsi, tel que cela a été dit plus haut, on conserve une utilisation au moins partielle du second échangeur 15 aussi bien lors de la mise en froid, pour assurer la sécurité thermique des échangeurs 5, 15, et notamment du troisième échangeur 25, que lors du maintien en froid, pour optimiser les performances, à taille donnée, de la boîte froide 4.

[0063] Selon une variante de mise en oeuvre, il est envisageable de conserver, lors du passage de l'étape (a) de mise en froid à l'étape (b) de maintien en froid, une configuration de répartition du flux de gaz de travail à travers les premier, second et troisième échangeurs 5, 15, 25 qui est sensiblement identique à la configuration de répartition qui était utilisée lors de l'étape (a) de mise en froid.

[0064] En d'autres termes, selon une caractéristique préférentielle qui peut constituer une invention à part entière, on peut éventuellement conserver une configuration identique de raccordement en série des premier, second et troisième échangeurs, et donc une configuration identique de traversée successive desdits premier, second et troisième échangeurs 5, 15, 25 par le gaz de travail, aussi bien pendant le régime transitoire de mise en froid que pendant le régime établi de maintien en froid, c'est-à-dire aussi bien « à chaud » qu'« à froid ».

[0065] Plus particulièrement, on pourra conserver, selon cette variante, et quel que soit le régime de fonctionnement, une distribution sensiblement identique du gaz de travail à travers les différents échangeurs 5, 15, 25 successifs.

[0066] Avantageusement, les connexions matérielles entre les premier, second et troisième échangeurs 5, 15, 25 au sein de la boîte froide 4, et donc le tracé du circuit de réfrigération 2 emprunté par le gaz de travail, pourront alors rester inchangé(e)s en toutes circonstances, quel que soit le régime de fonctionnement de ladite boîte froide 4.

[0067] En particulier, selon cette variante, on pourra s'affranchir de la nécessité de procéder, selon le régime de fonctionnement de la boîte froide 4, à des commutations entre plusieurs branches du circuit de réfrigération 2 qui viseraient à sélectivement connecter ou au contraire contourner l'un ou l'autre des échangeurs 5, 15, 25.

[0068] Cette permanence permet de simplifier l'agencement et la gestion de ladite boîte froide 4, et ainsi d'en réduire non seulement l'encombrement, mais également le prix de revient et le coût de fonctionnement, tout en améliorant sa fiabilité et sa longévité.

[0069] Toutefois, selon une autre variante de mise en oeuvre du procédé, lors de l'étape (a) de mise en froid, et plus particulièrement lors de la première phase (a1) de mise en froid, on distribue le flux de gaz de travail, en amont du second échangeur 15, entre une première branche 8, dite « branche de refroidissement », représentée en trait plein sur la figure 1, qui passe successivement par le second échangeur 15 et le troisième échangeur 25, et une seconde branche 9, dite « branche de dérivation », représentée en trait pointillé sur la figure 1, qui contourne le second échangeur 15 et le troisième échangeur 25 pour rejoindre ensuite le flux de gaz de travail issu dudit troisième échangeur 25.

[0070] Avantageusement, la branche de dérivation 9 permet de réaliser un « by-pass » de l'ensemble de la branche de refroidissement 8, en acheminant une partie du gaz de travail directement depuis un point de prélèvement pourvu d'un répartiteur de flux 10 et situé en aval du premier échangeur 5 et en amont du second échangeur 15, jusqu'à un point de jonction 11 situé en aval du troisième échangeur 25 et en amont de l'utilisateur 1 (sans recouper, notamment, la branche de refroidissement 8 entre le second et le troisième échangeur 15, 25).

[0071] Avantageusement, en divisant le flux de gaz de travail issu du premier échangeur 5 entre la première et la seconde branche 8, 9, on sollicite moins le second échangeur 15, et surtout le troisième échangeur 25, pendant l'étape (a) de mise en froid, ce qui permet notamment de limiter les contraintes thermiques ainsi que les pertes de charge.

[0072] De préférence, lors du passage de l'étape (a) de mise en froid à l'étape (b) de maintien en froid, et selon une caractéristique qui peut constituer une invention à part entière, on réduit, et de préférence on bloque, la circulation du gaz de travail dans la seconde branche 9, dite « de dérivation », de manière à forcer la majorité, et de préférence la totalité du flux de gaz de travail entrant dans la boîte froide 4 à traverser successivement, lors de l'étape (b) de maintien en froid, le second échangeur 15 puis le troisième échangeur 25 en empruntant la première branche 8, dite « de refroidissement ».

[0073] On bénéficie alors d'un fonctionnement simultané des trois échangeurs 5, 15, 25, et donc d'une performance accrue, au moyen d'un circuit très simple.

[0074] Quelle que soit du reste la variante envisagée (configuration invariante ou au contraire commutation sélective de la branche de dérivation 9), la simplification de la boîte froide 4 permettra de réduire les pertes de charge, ainsi que les sources potentielles de pannes ou de fuites, tandis que la connexion permanente (et le cas échéant majoritaire) du second échangeur 15 au circuit de refroidissement 2 protégera contre les effets d'un raccordement (volontaire ou même accidentel) à un utilisateur « chaud ».

[0075] Le cas échéant, l'adaptation du circuit de réfrigération 2 au régime de fonctionnement considéré à un instant donné pourra être opéré par un simple ajustement du débit de gaz de travail et/ou du débit des fluides auxiliaires froids à travers les premier, second et troisième échangeurs 5, 15, 25.

[0076] Le premier échangeur 5 et le troisième échangeur 25 sont avantageusement du type échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasées (« aluminium plates-fins heat exchanger »), et pourront à ce titre être conformes aux recommandations de l'ALPEMA (« Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's Association », Association des Fabricants d'Echangeurs à Plaques et Ondes en Aluminium brasées).

[0077] De tels échangeurs en aluminium sont en effet à la fois particulièrement compacts et performants sur le plan thermique.

[0078] De préférence, on utilise, comme second échangeur 15, un échangeur à plaques soudées en acier inoxydable, ou, le cas échéant, en alliage métallique inoxydable approprié, autre que l'aluminium (trop fragile).

[0079] Un tel échangeur, dont la technologie est également connue sous la dénomination « plate and shell », et qui possède bien entendu un nombre de plaques (typiquement plus de trois plaques) et une superficie d'échange adaptés à l'application, présente en effet une grande robustesse, et notamment une excellente résistance mécanique aux forts gradients thermiques.

[0080] De façon particulièrement préférentielle, on utilise, comme second échangeur 15, un échangeur à circuit imprimé (dit « PCHE », pour « Printed Circuit Heat Exchanger »).

[0081] Un tel échangeur, formé par l'assemblage (par exemple par soudage au four) d'une pluralité de plaques empilées dans lesquelles des sillons, formant les canaux de circulation, ont été préalablement creusés par voie chimique (« etching »), est en effet avantageusement particulièrement compact.

[0082] Selon une variante de mise en oeuvre préférentielle, le second échangeur 15 pourra former un échangeur à contre-courant, tel que cela est illustré sur la figure 1, au sein duquel le gaz de travail, ici l'hélium (He), circule à contre-courant d'un fluide froid afin de céder de la chaleur à ce dernier, qui l'évacue ensuite au moyen d'un dispositif idoine.

[0083] Le second échangeur 15 supportant bien les forts gradients thermiques, il est en effet possible de refroidir efficacement, au sein dudit second échangeur 15, un gaz de travail relativement chaud (par exemple pouvant atteindre 270K voire 300K en entrée de l'échangeur 15) au moyen d'un fluide auxiliaire particulièrement froid (tel que de l'azote liquide, se trouvant à une température d'entrée de l'ordre de 80,8K) circulant à contre-courant dudit gaz de travail.

[0084] En tout état de cause, on utilise préférentiellement, au sein du second échangeur 15, un fluide auxiliaire froid, tel que de l'azote liquide (« LIN »), de préférence à contre-courant, pour refroidir le gaz de travail.

[0085] En l'espèce, tel que cela est illustré sur la figure 1, le second échangeur 15 pourra ainsi former un échangeur à circuit imprimé de type Hélium-Azote liquide (« HE-LIN PCHE »), au sein duquel de l'azote liquide (« LIN »), circulant à contre-courant du gaz de travail (« He »), et présentant typiquement une température d'entrée de l'ordre de 80,8K, se vaporise en azote gazeux (« N2 ») pour prélever des calories audit gaz de travail (« He »).

[0086] Par ailleurs, selon une variante de mise en oeuvre préférentielle, on utilise, comme premier échangeur 5, un échangeur gaz/gaz, de préférence à contre-courant, dans lequel le gaz de travail de retour de l'utilisateur 1 reçoit, avant de rejoindre l'entrée de la station de compression 3, de la chaleur cédée par le gaz de travail comprimé issu de ladite station de compression 3.

[0087] En particulier, tel que cela est illustré sur la figure 1, la conduite de retour 7 pourra ainsi passer par le premier échangeur 5, de type échangeur Hélium-Hélium en aluminium brasé (« BAHX He-He », pour « Brazed Aluminium Heat eXchanger He-He ») de manière à ce que l'hélium « froid » (typiquement à environ 100K) et à « basse » pression (typiquement 16 bar) qui remonte vers la station de compression 3 puisse se réchauffer (typiquement, passer à température ambiante, soient entre 290K et 307K environ) en circulant à contre-courant de l'Hélium comprimé (typiquement à environ 18 bar) et « chaud » (typiquement aux alentours de 300K à 310K) qui sort de la station de compression 3 pour descendre vers l'utilisateur 1.

[0088] De préférence, on utilise, comme troisième échangeur 25, un thermosiphon à azote liquide, préférentiellement à co-courant.

[0089] En particulier, tel que cela est illustré sur la figure 1 on pourra ainsi faire circuler le fluide auxiliaire que constitue l'azote liquide (LIN) à co-courant du flux d'hélium (gaz de travail) qui descend vers l'utilisateur 1.

[0090] L'azote, qui passe typiquement de 79,8K à 80,8K dans ledit troisième échangeur 25, et qui passe de l'état liquide (« LIN ») à l'état gazeux (« GAN », pour « Gaseous Nitrogen »), capte la chaleur du flux d'Hélium, et abaisse ainsi la température de celui-ci à 80K environ.

[0091] A titre indicatif, au début de la première phase (a1) de mise en froid, en régime transitoire, la température utilisateur T1 peut être de l'ordre de 300 K (température ambiante).

[0092] La température du gaz de travail qui remonte vers la station de compression 3 et qui entre dans le premier échangeur en tant que fluide froid est alors de l'ordre de 300 K.

[0093] Le gaz remontant capte de la chaleur en traversant le premier échangeur 1, et peut ainsi se retrouver à environ 307K, et à basse pression de l'ordre de 16 bar, en entrée de la station de compression 3.

[0094] Après compression, le gaz à haute pression, environ 18 bar présente une température de 310K lorsqu'il atteint le premier échangeur 5.

[0095] En sortie dudit premier échangeur 5, sa température a été abaissée à environ 302K.

[0096] La portion de ce flux de gaz à 302K qui emprunte la branche de refroidissement 8 est fortement refroidie dans le second échangeur 15, qui abaisse sa température à environ 95K, et supporte ainsi l'essentiel de l'amplitude de refroidissement de ladite branche de refroidissement 8.

[0097] On notera que le second échangeur 15, qui supporte l'essentiel du refroidissement, tolère parfaitement la circulation à contre-courant d'une part de l'hélium (gaz de travail) qui passe de 302K à 95K, et d'autre part de l'azote liquide (fluide auxiliaire) qui présente une température très basse, de l'ordre de 80 K, et qui passe de l'état liquide à un état gazeux ou diphasique liquide/gaz.

[0098] En traversant le troisième échangeur 25, ce même flux de gaz de travail voit sa température abaissée à environ 80K.

[0099] Ce flux à 80K qui sort du troisième échangeur 25 se mélange alors, en un point de jonction noté 11 sur la figure 1, au flux à 302K provenant de la branche de dérivation 9, puis l'ensemble du gaz de travail vient ensuite alimenter le système d'échange 6 de l'utilisateur 1.

[0100] En régime établi, c'est-à-dire pendant l'étape (b) de maintien de froid, et plus préférentiellement alors que le gaz de travail circule exclusivement dans la branche de refroidissement 8, le gaz de travail présente typiquement une température de l'ordre de 103K en entrée du second échangeur 15, et de 95K environ en sortie dudit second échangeur 15, qui est donc nettement moins sollicité qu'en régime transitoire.

[0101] En sortie du troisième échangeur 25, le gaz de travail qui rejoint l'utilisateur peut alors avantageusement présenter une température très basse, de l'ordre de 80,4K.

[0102] On remarquera par ailleurs que, dans l'exemple décrit dans ce qui précède, et ainsi que cela a été envisagé plus haut de manière générale, le premier échangeur 5 (BAHX He-He) est traversé par l'intégralité du flux de gaz de travail (ici l'hélium) qui entre dans la boîte froide 4, et ce, du reste, aussi bien lorsque l'on se trouve en régime transitoire de mise en froid, que lorsque l'on se trouve en régime établi de maintien en froid.

[0103] En l'occurrence, la totalité du flux de gaz de travail traverse ledit premier échangeur 5 une première fois, en tant que fluide chaud à refroidir, en entrant dans la boîte froide 4 pour y être refroidi, puis une seconde fois, en tant que fluide froid, en revenant de l'utilisateur 1, avant de ressortir de ladite boîte froide 4.

[0104] Bien entendu, l'invention concerne également en tant que tel un dispositif de réfrigération agencé pour mettre en oeuvre un procédé de réfrigération selon l'une ou l'autre des caractéristiques susmentionnées.

[0105] Elle concerne plus particulièrement une boîte froide 4 permettant la mise en oeuvre dudit procédé, et plus particulièrement agencée pour assurer une circulation du gaz de travail conforme à l'invention.

[0106] L'invention concerne ainsi une boîte froide 4 destinée au refroidissement d'un gaz de travail, ladite boîte froide comprenant en série, dans une même enceinte calorifugée, au moins un premier échangeur de chaleur 5 en aluminium à plaques et ailettes brasées, un second échangeur de chaleur 15 en acier inoxydable à plaques soudées, et un troisième échangeur de chaleur 25 en aluminium à plaques et ailettes brasées. Ladite boîte froide comporte au moins une première branche 8 de circulation de gaz de travail, dite « branche de refroidissement » 8, qui passe successivement par le second échangeur 15 et le troisième échangeur 25, et une seconde branche 9 de circulation de gaz de travail, dite « branche de dérivation » 9, qui contourne le second échangeur 15 et le troisième échangeur 25 pour rejoindre, de préférence directement, la sortie du troisième échangeur 25, ainsi qu'un répartiteur de flux 10 agencé pour sélectivement diriger le flux de gaz de travail issu du premier échangeur 5 exclusivement dans la première branche 8 dite « de refroidissement », ou bien répartir ledit flux de gaz de travail pour partie dans la première branche 8, dite « de refroidissement » et pour partie dans la seconde branche 9, dite « de dérivation ».

[0107] Le répartiteur de flux 10 pourra par exemple prendre la forme d'une vanne multivoies ou bien encore d'une nourrice, pourvue d'une entrée, raccordée à la sortie du premier échangeur 5, et d'au moins deux sorties, l'une connectée à la première branche 8, et l'autre à la seconde branche 9, au moins l'une desdites sorties, et de préférence chacune desdites sorties, étant pourvue d'au moins une vanne permettant, le cas échéant de régler le débit de gaz de travail dans la branche 8, 9 correspondante.

[0108] Avantageusement, la branche de dérivation 9 ne communiquera pas avec la tubulure qui joint la sortie du second échangeur 15 à l'entrée du troisième échangeur 25, de telle sorte que la totalité du gaz de travail prélevé en amont du second échangeur 15 par la ladite branche de dérivation 9 sera directement acheminé par celle-ci à un point de jonction 11 situé en aval du troisième échangeur 25, et en amont de l'utilisateur 1, point de jonction 11 où ledit gaz sera mélangé au flux de gaz issu dudit troisième échangeur 25.

[0109] Une telle variante de boîte froide 4 permettra avantageusement une commutation simple et rapide entre une configuration préférée de régime transitoire (notamment de mise en froid), dans laquelle la branche de dérivation 9 est active, de telle sorte que le flux de gaz traversant la boîte froide 4, et issu du premier échangeur 5, se répartit entre la branche de refroidissement 8 (à hauteur d'au moins 1%, et de préférence d'au moins 4%) d'une part, et la branche de dérivation 9 d'autre part, et une configuration préférée de régime établi (maintien en froid), dans laquelle le répartiteur de flux 10 réduit, voire ferme l'accès à la branche de dérivation 9, de telle sorte qu'une proportion du flux de gaz de travail plus importante que celle concernée lors du régime transitoire, et de préférence la majorité, voire la totalité, dudit flux de gaz de travail, traverse le second échangeur 15 puis le troisième échangeur 25.

[0110] Selon une autre variante possible de réalisation de la boîte froide 4, particulièrement simplifiée et compacte, lesdits échangeurs 5, 15, 25 pourront être reliés en série les un aux autres dans cet ordre de sorte à former un circuit de refroidissement linéaire (dont le tracé correspond typiquement à la branche de refroidissement 8 mentionnée dans ce qui précède), destiné au passage du gaz de travail, ledit circuit étant matériellement dépourvu d'embranchements ou de branches de dérivation qui seraient susceptibles de permettre au gaz de travail de contourner l'un ou l'autre desdits échangeurs 5, 15, 25, de telle manière que la totalité du flux de gaz de travail qui traverse le premier échangeur 5 traverse ensuite nécessairement et successivement le second échangeur 15 puis le troisième échangeur 25 en empruntant ledit circuit de refroidissement.

[0111] On pourra ainsi notamment faire circuler, de préférence en permanence, quel que soit le régime de fonctionnement, la totalité du flux de gaz de travail issu de la station de compression 3 successivement à travers le premier échangeur, puis ensuite à travers le second échangeur, puis enfin à travers le troisième échangeur, avec tous les avantages mentionnés plus haut.

[0112] En outre, l'utilisation d'un circuit de refroidissement linéaire, qui relie directement la sortie de l'échangeur 5, respectivement 15, considéré à l'entrée de l'échangeur 15, respectivement 25, situé immédiatement en aval, au moyen d'une tubulure sans embranchements ni excès de portions coudées, permet de créer une boîte froide 4 compacte, simple et peu onéreuse, qui minimise entre autres les pertes de charge.

[0113] De préférence, et quel que soit par ailleurs sa variante d'agencement interne, la boîte froide 4 est isolée thermiquement de son environnement par de la perlite.

[0114] On évite ainsi efficacement les déperditions de frigories.

[0115] L'invention porte par ailleurs sur une installation cryogénique en tant que telle, permettant la mise en oeuvre d'un procédé de réfrigération selon l'invention.

[0116] Ladite installation pourra à cet effet comprendre un module de régulation et de configuration de la boîte froide 4, ledit module contrôlant le circuit d'échangeurs 5, 15, 25 de ladite boîte froide de sorte à laisser en permanence un accès au second échangeur 15 et au troisième échangeur 25, afin de diriger en permanence au moins 1%, de préférence au moins 4%, du flux de gaz de travail entrant dans la boîte froide 4 à travers le second échangeur 15 et à travers le troisième échangeur 25.

[0117] L'invention porte en particulier sur une installation cryogénique comportant un circuit de réfrigération 2 en boucle pour un gaz de travail, ledit circuit de réfrigération 2 comprenant en série au moins une station de compression 3, destinée à comprimer ledit gaz de travail, puis au moins une boîte froide 4 selon l'une ou l'autre des variantes susmentionnées, ladite boîte froide 4 étant destinée à refroidir le gaz de travail en le faisant passer à travers une pluralité d'échangeurs de chaleur 5, 15, 25, puis un système d'échange de chaleur agencé pour permettre au gaz de travail refroidi en provenance de la boîte froide 4 de céder des frigories un utilisateur 1.

[0118] Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux seules variantes de réalisation décrites, l'homme du métier étant notamment à même d'isoler ou de combiner librement entre elles l'une ou l'autre des caractéristiques susmentionnées ou de leur substituer des équivalents.

[0119] En particulier, les considérations liées au régime transitoire de mise en froid (et au traitement des gradients de température correspondants) peuvent s'appliquer mutatis mutandis au réchauffement de l'utilisateur, c'est-à-dire au retour progressif de l'utilisateur d'un état froid à un état chaud, en fin de cycle de refroidissement.

Revendications

1. Procédé de réfrigération au cours duquel on alimente en frigories un utilisateur (1), se trouvant à une température (T1) dite « température utilisateur », au moyen d'un gaz de travail, tel que de l'hélium, que l'on refroidit dans un circuit de réfrigération (2) qui comprend au moins une station de compression (3), dans laquelle on comprime ledit gaz de travail, puis au moins une boîte froide (4) dans laquelle on refroidit le gaz de travail en le faisant passer à travers une pluralité d'échangeurs de chaleur (5, 15, 25), ledit procédé comportant une étape (a) de mise en froid, au cours de laquelle on utilise, lors d'une première phase (a1) de mise en froid, les frigories apportées par le gaz de travail refroidi pour faire baisser la température utilisateur (T1), alors que ladite température utilisateur (T1) est supérieure à 150K, et/ou une étape (b) de maintien en froid, au cours de laquelle on utilise les frigories apportées par le gaz de travail refroidi, alors que la température utilisateur (T1) se trouve en-deçà d'une consigne de froid, inférieure à 95K, de manière à maintenir la température utilisateur (T1) sous ladite consigne de froid, et lors de la première phase (a1) de l'étape (a) de mise en froid et/ou, respectivement, lors de l'étape (b) de maintien en froid, on refroidit le gaz de travail en faisant circuler ledit gaz de travail dans une boîte froide (4) qui comporte en série au moins un premier échangeur de chaleur (5) en aluminium à plaques brasées, un second échangeur de chaleur (15) à plaques et un troisième échangeur de chaleur (25) en aluminium à plaques brasées, de telle manière que l'on fait passer la majorité, et de préférence la totalité, du flux de gaz de travail entrant dans la boîte froide (4) d'abord à travers le premier échangeur (5), avant de faire passer tout ou partie dudit flux de gaz de travail à travers le second échangeur (15) puis le troisième échangeur (25) et l'on fait passer ensuite au moins 1%, et de préférence au moins 4%, du flux dudit gaz de travail issu de la station de compression (3) et entrant dans la boîte froide (4) à travers le second échangeur (15), puis ensuite au moins 1%, et de préférence au moins 4%, dudit flux de gaz de travail à travers le troisième échangeur (25), avant de diriger ledit flux de gaz de travail vers l'utilisateur (1) pour alimenter ce dernier en frigories, ledit procédé étant caractérisé en ce que le premier et le troisième échangeur sont des échangeurs à ailettes brasées et le deuxième échangeur est à plaques soudées, et en ce que, lors de l'étape

(a) de mise en froid, et plus particulièrement lors de la première phase (a1) de mise en froid, on distribue le flux de gaz de travail, en amont du second échangeur (15), entre une première branche (8), dite « branche de refroidissement », qui passe successivement par le second échangeur (15) et le troisième échangeur (25), et une seconde branche (9), dite « branche de dérivation », qui contourne le second échangeur (15) et le troisième échangeur (25) pour rejoindre ensuite le flux de gaz de travail issu dudit troisième échangeur (25).

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la totalité du flux de gaz de travail qui traverse le second échangeur (15) traverse ensuite également le troisième échangeur (25).

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape (a) de mise en froid est mise en oeuvre alors que la température utilisateur (T1) initiale est supérieure ou égale à 200 K, à 250 K, à 300 K, voire à 350 K.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape (a) de mise en froid se poursuit par une seconde phase (a2) de mise en froid au cours de laquelle on prolonge le refroidissement engagé lors de la première phase (a1) de mise en froid jusqu'à ce que la température utilisateur (T1) atteigne la consigne de froid, et en ce que l'on enclenche ensuite l'étape (b) de maintien en froid tout en conservant une circulation du gaz de travail à travers le second échangeur (15).

5. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 4 caractérisé en ce que, lors du passage de l'étape (a) de mise en froid à l'étape (b) de maintien en froid, on réduit, et de préférence on bloque, la circulation du gaz de travail dans la seconde branche (9), dite « de dérivation », de manière à forcer la majorité, et de préférence la totalité du flux de gaz de travail entrant dans la boîte froide (4) à traverser successivement le second échangeur (15) puis le troisième échangeur (25) en empruntant la première branche (8), dite « de refroidissement ».

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise, comme second échangeur (15), un échangeur à plaques soudées en acier inoxydable.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise, comme second échangeur (15), un échangeur à circuit imprimé (PCHE).

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise, comme premier échangeur (5), un échangeur gaz/gaz, de préférence à contre-courant, dans lequel le gaz de travail de retour de l'utilisateur (1) reçoit, avant de rejoindre l'entrée de la station de compression (3), de la chaleur cédée par le gaz de travail comprimé issu de ladite station de compression (3).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise, comme troisième échangeur (25), un thermosiphon à azote liquide (LIN), de préférence à co-courant.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on utilise, au sein du second échangeur (15), un fluide auxiliaire froid, tel que de l'azote liquide (LIN), de préférence à contre-courant, pour refroidir le gaz de travail.

11. Boîte froide (4) destinée au refroidissement d'un gaz de travail, ladite boîte froide comprenant en série, dans une même enceinte calorifugée, au moins un premier échangeur de chaleur (5) en aluminium à plaques brasées, un second échangeur de chaleur (15) à plaques et un troisième échangeur de chaleur (25) en aluminium à plaques brasées, ladite boîte froide étant caractérisée en ce que le premier et le troisième échangeur sont des échangeurs à ailettes brasées et le deuxième échangeur est en acier inoxydable et à plaques soudées et en ce que la boite froide comporte au moins une première branche (8) de circulation de gaz de travail, dite « branche de refroidissement », qui passe successivement par le second échangeur (15) et le troisième échangeur (25), et une seconde branche (9) de circulation de gaz de travail, dite « branche de dérivation », qui contourne le second échangeur (15) et le troisième échangeur (25) pour rejoindre la sortie du troisième échangeur, ainsi qu'un répartiteur de flux (10) agencé pour sélectivement diriger le flux de gaz de travail issu du premier échangeur (5) exclusivement dans la première branche dite « de refroidissement », ou bien répartir ledit flux de gaz de travail pour partie dans la première branche (8), dite « de refroidissement » et pour partie dans la seconde branche (9), dite « de dérivation ».

12. Boîte froide selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'elle est isolée thermiquement de son environnement par de la perlite.

13. Installation cryogénique comportant un circuit de réfrigération (2) en boucle pour un gaz de travail, ledit circuit de réfrigération (2) comprenant en série au moins une station de compression (3), destinée à comprimer ledit gaz de travail, puis au moins une boîte froide (4) selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, destinée à refroidir le gaz de travail en le faisant passer à travers une pluralité d'échangeurs de chaleur (5, 15, 25), puis un système d'échange de chaleur (6) agencé pour permettre au gaz de travail refroidi en provenance de la boîte froide (4) de céder des frigories à un utilisateur (1).

Ansprüche

1. Kühlverfahren, in dessen Verlauf ein Verbraucher (1), der sich auf einer als "Verbrauchertemperatur" bezeichneten Temperatur (T1) befindet, mit Kühlenergie versorgt wird mittels eines Arbeitsgases wie Helium, das in einem Kühlkreislauf (2) gekühlt wird, der mindestens eine Verdichtungsstation (3), in der das Arbeitsgas verdichtet wird, danach mindestens eine Coldbox (4) umfasst, in der das Arbeitsgas gekühlt wird, indem man es durch eine Vielzahl von Wärmetauschern (5, 15, 25) laufen lässt, wobei das Verfahren einen Schritt (a) des Herunterkühlens umfasst, in dessen Verlauf im Zuge einer ersten Herunterkühlphase (a1) die von dem gekühlten Arbeitsgas zugeführte Kühlenergie verwendet wird, um die Verbrauchertemperatur (T1) abzusenken, wenn die Verbrauchertemperatur (T1) mehr als 150 K beträgt, und/oder einen Schritt (b) des Kühlhaltens, in dessen Verlauf die von dem gekühlten Arbeitsgas zugeführte Kühlenergie derart verwendet wird, dass, wenn sich die Verbrauchertemperatur (T1) unterhalb eines Kühlsollwerts auf weniger als 95 K befindet, die Verbrauchertemperatur (T1) unter dem Kühlsollwert gehalten wird, und jeweils im Zuge der ersten Phase (a1) des Herunterkühlschrittes (a) und/oder im Zuge des Kühlhalteschrittes (b) das Arbeitsgas gekühlt wird, indem man das Arbeitsgas in einer Coldbox (4), die in Reihe mindestens einen ersten hartgelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher (5), einen zweiten Plattenwärmetauscher (15) und einen dritten hartgelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher (25) umfasst, derart zirkulieren lässt, dass man die Mehrheit, und vorzugsweise die Gesamtheit des Arbeitsgasstroms, der in die Coldbox (4) eintritt, zunächst durch den ersten Tauscher (5) laufen lässt, bevor man den gesamten oder einen Teil des Arbeitsgasstroms durch den zweiten Tauscher (15), danach den dritten Tauscher (25) laufen lässt, und man anschließend mindestens 1%, und vorzugsweise mindestens 4% des Stroms des Arbeitsgases, der aus der Verdichtungsstation (3) stammt und in die Coldbox (4) eintritt, durch den zweiten Tauscher (15), danach anschließend mindestens 1%, und vorzugsweise mindestens 4% des Arbeitsgasstroms durch den dritten Tauscher (25) laufen lässt, bevor man den Arbeitsgasstrom zu dem Verbraucher (1) lenkt, um diesen letzteren mit Kühlenergie zu versorgen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und der dritte Tauscher hartgelötete Rippentauscher sind und der zweite ein geschweißter Plattentauscher ist, und dadurch, dass im Zuge des Herunterkühlschrittes (a), und insbesondere im Zuge der ersten Herunterkühlphase (a1), der Arbeitsgasstrom stromaufwärts des zweiten Tauschers (15) zwischen einem ersten, als "Kühlzweig" bezeichneten Zweig (8), der nacheinander durch den zweiten Tauscher (15) und den dritten Tauscher (25) läuft, und einem zweiten, als "Bypass-Zweig" bezeichneten Zweig (9) aufgeteilt wird, der den zweiten Tauscher (15) und den dritten Tauscher (25) umgeht, um anschließend zu dem aus dem dritten Tauscher (25) stammenden Arbeitsgasstrom zu stoßen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit des Arbeitsgasstroms, der den zweiten Tauscher (15) durchläuft, anschließend ebenfalls den dritten Tauscher (25) durchläuft.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herunterkühlschritt (a) umgesetzt wird, wenn die anfängliche Verbrauchertemperatur (T1) mehr als oder gleich 200 K, 250 K, 300 K, ja sogar 350 K beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Herunterkühlschritt (a) durch eine zweite Herunterkühlphase (a2) fortsetzt, in deren Verlauf die im Zuge der ersten Herunterkühlphase (a1) begonnene Kühlung verlängert wird, bis die Verbrauchertemperatur (T1) den Kühlsollwert erreicht, und dadurch, dass anschließend der Kühlhalteschritt (b) eingeleitet wird, während gleichzeitig eine Zirkulation des Arbeitsgases durch den zweiten Tauscher (15) aufrecht erhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Übergangs vom Herunterkühlschritt (a) zum Kühlhalteschritt (b) die Zirkulation des Arbeitsgases in dem zweiten, als "Bypass-Zweig" bezeichneten Zweig (9) derart reduziert und vorzugsweise blockiert wird, dass die Mehrheit, und vorzugsweise die Gesamtheit des Arbeitsgasstroms, der in die Coldbox (4) eintritt, dazu gezwungen wird, nacheinander den zweiten Tauscher (15), danach den dritten Tauscher (25) zu durchlaufen, indem er den ersten, als "Kühlzweig" bezeichneten Zweig (8) nimmt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Tauscher (15) ein geschweißter Edelstahl-Plattentauscher verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Tauscher (15) ein Leiterplatten-Tauscher (PCHE) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Tauscher (5) ein Gas-Gas-Tauscher, vorzugweise mit Gegenstrom, verwendet wird, wobei das Arbeitsgas, das von dem Verbraucher (1) zurückkommt, bevor es zum Eingang der Verdichtungsstation (3) stößt, Wärme aufnimmt, die von dem aus der Verdichtungsstation (3) stammenden verdichteten Arbeitsgas abgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter Tauscher (25) ein Thermosiphon mit Flüssigstickstoff (LIN), vorzugsweise mit Gegenstrom, verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Tauschers (15) ein Hilfskühlfluid wie Flüssigstickstoff (LIN), vorzugsweise mit Gegenstrom, verwendet wird, um das Arbeitsgas zu kühlen.

11. Coldbox (4), die zum Kühlen eines Arbeitsgases bestimmt ist, wobei die Coldbox in ein und demselben wärmedämmenden Gehäuse in Reihe mindestens einen ersten hartgelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher (5), einen zweiten Plattenwärmetauscher (15) und einen dritten hartgelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher (25) umfasst, wobei die Coldbox dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und der dritte Tauscher hartgelötete Rippentauscher sind und der zweite Tauscher aus Edelstahl und mit geschweißten Platten ist, und dadurch, dass die Coldbox mindestens einen ersten, als "Kühlzweig" bezeichneten Arbeitsgas-Zirkulationszweig (8) umfasst, der nacheinander durch den zweiten Tauscher (15) und den dritten Tauscher (25) läuft, und einen zweiten, als "Bypass-Zweig" bezeichneten Arbeitsgas-Zirkulationszweig (9), der den zweiten Tauscher (15) und den dritten Tauscher (25) umgeht, um zum Ausgang des dritten Tauschers zu stoßen, sowie einen Stromverteiler (10), der dafür eingerichtet ist, den aus dem ersten Tauscher (5) stammenden Arbeitsgasstrom wahlweise ausschließlich in den ersten, als "Kühlzweig" bezeichneten Zweig zu leiten, oder aber den Arbeitsgasstrom zum Teil in den ersten, als "Kühlzweig" bezeichneten Zweig (8), und zum Teil in den zweiten, als "Bypass-Zweig" bezeichneten Zweig (9) zu verteilen.

12. Coldbox nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Perlit thermisch von ihrer Umgebung isoliert ist.

13. Kryogene Anlage, umfassend einen geschlossenen Kühlkreislauf (2) für ein Arbeitsgas, wobei der Kühlkreislauf (2) in Reihe mindestens eine Verdichtungsstation (3), die dazu bestimmt ist, das Arbeitsgas zu verdichten, danach mindestens eine Coldbox (4) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, die dazu bestimmt ist, das Arbeitsgas zu kühlen, indem sie es durch eine Vielzahl von Wärmetauschern (5, 15, 25) laufen lässt, danach ein Wärmetauschersystem (6) umfasst, das dafür eingerichtet ist, dem aus der Coldbox (4) kommenden gekühlten Arbeitsgas zu ermöglichen, Kühlenergie an einen Verbraucher (1) abzugeben.

Claims

1. Refrigeration method, during which a user (1), at a so-called "user temperature" (T1), is supplied with frigories by means of a working gas, such as helium, that is cooled in a refrigeration circuit (2), that comprises at least one compressor station (3), in which said working gas is compressed, then at least one cold box (4) in which the working gas is cooled by causing it to pass through a plurality of heat exchangers (5, 15, 25), said method comprising a cool down step (a), during which, in a first cool down phase (a1), the frigories supplied by the cooled working gas are used to lower the user temperature (T1), when said user temperature (T1) is greater than 150 K, and/or a keep cool step (b), during which the frigories supplied by the cooled working gas, when the user temperature (T1) is below a cold set point of less than 95 K, are used to maintain the user temperature (T1) below said cold set point, and in the first phase (a1) of the cool down step (a) and/or during the keep cool step (b) respectively, the working gas is cooled by having said working gas flow into a cold box (4) that comprises, in series, at least one first brazed aluminium plate heat exchanger (5), one second plate heat exchanger (15), and one third brazed aluminium plate heat exchanger (25) in such a way that most, and preferably all, of the flow of working gas is caused to enter the cold box (4), initially through the first heat exchanger (5), before passing all or part of said flow of working gas through the second heat exchanger (15), then through the third heat exchanger (25), and then at least 1%, and preferably at least 4% of the flow of said working gas originating from the compressor station (3) and entering the cold box (4), is passed through the second heat exchanger (15), then at least 1%, and preferably at least 4% of said flow of working gas is passed through the third heat exchanger (25), before said flow of working gas is directed to the user (1) in order to supply the latter with frigories, said method being characterised in that the first and the third heat exchangers are brazed fin heat exchangers, and the second heat exchanger is a welded plate heat exchanger, and in that, during the cool down step (a), and more particularly in the first cool down phase (a1), the flow of working gas, upstream of the second heat exchanger (15), is distributed between a first so-called "cooling branch" (8), which successively passes through the second heat exchanger (15) and the third heat exchanger (25), and a second so-called "by-pass branch" (9), which bypasses the second heat exchanger (15) and the third heat exchanger (25) to then join the flow of working gas originating from said third heat exchanger (25).

2. Method according to claim 1, characterised in that all of the flow of working gas that passes through the second heat exchanger (15) then also passes through the third heat exchanger (25).

3. Method according to one of the previous claims, characterised in that the cool down step (a) takes place when the initial user temperature (T1) is greater than or equal to 200 K, 250 K, 300 K or 350 K.

4. Method according to any of the previous claims, characterised in that the cool down step (a) continues in a second cool down phase (a2), during which the cooling taking place during the first cool down phase (a1) is prolonged until the user temperature (T1) reaches the cold set point, and in that the keep cool step (b) is then activated while maintaining a flow of the working gas through the second heat exchanger (15).

5. Method according to any of claims 1 to 4, characterised in that, during the passage from the cool down step (a) to the keep cool step (b), the flow of the working gas in the second so-called "bypass" branch (9) is reduced, and preferably blocked, in order to force most, and preferably all of the flow of working gas entering the cold box (4) to successively pass through the second heat exchanger (15), then the third heat exchanger (25) by using the first so-called "cooling" branch (8).

6. Method according to any of the previous claims, characterised in that a welded stainless steel plate heat exchanger is used as a second heat exchanger (15).

7. Method according to any of the previous claims, characterised in that a printed circuit heat exchanger (PCHE) is used as a second heat exchanger (15).

8. Method according to any of the previous claims, characterised in that a gas-to-gas heat exchanger, that is preferably a counter-flow heat exchanger, is used as a first heat exchanger (5), in which the working gas returning from the user (1) receives, before joining the inlet of the compressor station (3), the heat transferred by the compressed working gas originating from said compressor station (3).

9. Method according to any of the previous claims, characterised in that a liquid nitrogen (LIN) thermo-siphon, that is preferably parallel-flow, is used as a third heat exchanger(25).

10. Method according to any of the previous claims, characterised in that a cold auxiliary fluid, such as liquid nitrogen (LIN), is used within the second heat exchanger (15), preferably in a counter-flow manner, to cool the working gas.

11. Cold box (4) intended to cool a working gas, said cold box comprising, in series, in the same heat-insulated enclosure, at least one first brazed aluminium plate heat exchanger (5), one second plate heat exchanger (15), and one third brazed aluminium plate heat exchanger (25), said cold box being characterised in that the first and the third heat exchangers are brazed fin heat exchangers and the second heat exchanger is a welded stainless steel plate heat exchanger and in that the cold box comprises at least one first working gas flow branch (8), called a "cooling branch", which successively passes through the second heat exchanger (15) and the third heat exchanger (25), and a second working gas flow branch (9) called a "by-pass branch", that bypasses the second heat exchanger (15) and the third heat exchanger (25) to join the outlet of the third heat exchanger, in addition to a flow distributor (10) arranged so as to selectively direct the flow of working gas originating from the first heat exchanger (5) exclusively into the first so-called "cooling" branch, or to distribute a part of said flow of working gas into the first so-called "cooling" branch (8) and a part of said flow of working gas into the second so-called "by-pass" branch (9).

12. Cold box according to claim 11, characterised in that it is heat-insulated from its environment by perlite.

13. Cryogenic equipment comprising a looped refrigeration circuit (2) for a working gas, said refrigeration circuit (2) comprising, in series, at least one compressor station (3), intended to compress said working gas, then at least one cold box (4) according to either claim 13 or claim 14, intended to cool the working gas by causing it to pass through a plurality of heat exchangers (5, 15, 25), then a heat exchange system (6) arranged so as to allow the cooled working gas originating from the cold box (4) to transfer frigories to a user (1).

Dessins