EP4433762A1 - Dispositif de réfrigération à dilution - Google Patents

Dispositif de réfrigération à dilution

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EP4433762A1
EP4433762A1 EP22809123.7A EP22809123A EP4433762A1 EP 4433762 A1 EP4433762 A1 EP 4433762A1 EP 22809123 A EP22809123 A EP 22809123A EP 4433762 A1 EP4433762 A1 EP 4433762A1
Authority
EP
European Patent Office
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pipes
boiler
heat exchangers
mixing chamber
heat exchange
Prior art date
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Application number
EP22809123.7A
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German (de)
English (en)
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EP4433762B1 (fr
Inventor
Olivier GUIA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP4433762A1 publication Critical patent/EP4433762A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4433762B1 publication Critical patent/EP4433762B1/fr
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    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution
    • 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
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40—Fluid line arrangements
    • 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
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/09—Improving heat transfers
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a dilution refrigeration device.
  • the invention relates more particularly to a dilution refrigeration device for obtaining very low temperatures, in particular in the range between one milliKelvin and one hundred milliKelvin, comprising a working circuit in a loop containing a cycle fluid comprising a mixture of isotope helium 3 (3He) and isotope helium 4 (4He), the working circuit comprising, arranged in series and fluidically connected via a first set of pipes, a mixing chamber, a boiler and a transfer member, the first set of pipes being configured to transfer cycle fluid from an outlet of the mixing chamber to an inlet of the boiler and from an outlet of the boiler to an inlet of the transfer member, the circuit working circuit comprising a second set of pipes connecting an outlet of the transfer member to an inlet of the mixing chamber, the working circuit comprising at least a first heat exchange section between at least a part of the first set of pipe and the second set of pipes, the first heat exchange section comprising at least one heat exchanger located between the boiler and the mixing chamber.
  • the invention relates in particular to a high-power cryogenic refrigeration device at low or very low temperature (that is to say potentially down to the temperature range of one milliKelvin to one hundred milliKelvin).
  • the cold power requirements provided by such a device are increasing.
  • the increase in power usually requires an increase in the volume of helium needed.
  • the increase in the power supplied also has consequences on the components of the device and in particular the mixing box and the heat exchangers (section(s) of heat exchange).
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • one goal is to allow an increase in the cold power produced by such a device while controlling its size and/or the quantity of helium 3 required.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the first set of pipes comprises, between the mixing chamber and the boiler, a first portion with several first branches of pipes arranged in parallel subdividing the cycle flow into several parallel flows, and in that the second set of pipes comprises, between the boiler and the mixing chamber, a second portion of several second pipe branches arranged in parallel subdividing the cycle flow into several parallel flows, and in that the first heat exchange section comprises several counter-current heat exchangers each ensuring a heat exchange between a first pipe branch of the first portion and a second pipe branch of the second portion.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 represents a schematic and partial view illustrating a first example of structure and operation of a refrigeration device according to the invention
  • FIG. 1 represents a side view, schematic and partial, illustrating a third possible embodiment of the arrangement of heat exchangers of such a device.
  • the dilution refrigeration device 1 shown in comprises a working loop circuit 20 containing a cycle fluid typically comprising a mixture of isotope helium 3 ("3He” or “helium 3") and isotope helium 4 ("4He” or “helium 4 ").
  • This working circuit 20 comprises, arranged in series and fluidically connected via a first set of pipes 2, 12, 4, a mixing chamber 3, a boiler 5 and a member 6 for the fluidic transfer of the cycle fluid.
  • the first set of pipes 2, 12, 4 is configured to transfer cycle fluid from an outlet of the mixing chamber 3 to an inlet of the boiler 5 and from an outlet of the boiler 5 to an inlet of the organ 6 of transfer.
  • the working circuit 20 comprises a second set of pipes 7, 17 connecting an outlet of the transfer unit 6 to an inlet of the mixing chamber 3.
  • the boiler 5 (or evaporator) conventionally ensures a phase separation between helium 3 and helium 4 (the bath, which contains for example 1% by mole of helium 3 is for example at a temperature between 0.7K and 1K).
  • the boiler 5 supplies the transfer member 6 with helium 3 via the first assembly 4 of conduct.
  • the temperature can be of the order, for example, of 5 mK to 300 mK and in particular between 5 mK and 150 mK.
  • the concentrated helium 3 returned by the transfer member 6 into the mixing chamber 3 can be located in the upper part of this chamber 3, above a dilute liquid phase (containing for example 6 to 7% helium 3).
  • One end of the first set of pipes 7 opens for example into this upper concentrated phase.
  • the injected helium-3 concentrated phase is diluted in the dilute phase, it is this process of endothermic dilution that produces the cooling capacity at the temperature of mixing chamber 3.
  • the cold produced can be used to cool a user (symbolized by the reference 24 on the ) or at the thermal conductive plates of the device, not shown for the sake of simplification.
  • the working circuit 20 comprises at least a first heat exchange section 9 between at least a part of the first set of pipes 2, 12, 4 and the second set of pipes 7.
  • the first heat exchange section 9 is located between the boiler 5 and the mixing chamber 3.
  • cryogenic components are placed, for example, in a sealed enclosure or "cold box” (and preferably insulated under vacuum).
  • This heat exchange portion 9 conventionally uses at least one counter-current heat exchanger which makes it possible to pre-cool the phase concentrated in Helium3 reinjected into the mixing box 3 by the dilute phase in helium3 which rises from this chamber 3 of mixture to the boiler 5.
  • the efficiency of the counter-current heat exchangers 9 between the dilute phase and the concentrated phase is the critical point of these dilution refrigerators.
  • the so-called Kapitza thermal resistances which appear at very low temperatures between helium and solid materials and increase as the inverse of the square of the temperature make the design of these exchangers very difficult and critical.
  • the transfer member 6 comprises for example a cycle fluid compressor and/or a heat exchanger.
  • this compressor 6 operates at ambient temperature (for example outside a cold box 30 which contains the rest of the device). That is to say that this compressor 6 can be at a non-cryogenic temperature in the operating configuration of the device 1 for dilution refrigeration.
  • the device 1 may further comprise at least one cooling member 22 in heat exchange with the working circuit 20 and configured to transfer cold temperatures to the cycle fluid, that is to say to cool the cycle fluid.
  • the cooling unit 22 comprises a heat exchange with the working circuit 20 (second set of pipes 7) to cool the fluid at the outlet of the transfer unit 6 (for example to a temperature between 1, 3 and 1.4K.
  • the working circuit 20 may also comprise a cryogenic pumping device (not shown for the sake of simplification).
  • the first set of pipes comprises, between the mixing chamber 3 and the boiler 5, a first portion with several first branches of pipes 12 arranged in parallel subdividing the cycle flow into several parallel flows.
  • the single pipes 2, 7 have branches in parallel.
  • the second set of pipes comprises, between the boiler 5 and the mixing chamber 3, a second portion of several second branches of pipes 17 arranged in parallel subdividing the cycle flow into several parallel flows.
  • the first heat exchange section 9 comprises several discrete counter-current heat exchangers 19, 29 each ensuring a heat exchange between at least a first branch of pipe 12 of the first portion and at least a second branch of line 17 of the second portion.
  • This arrangement of the exchangers relative to the cycle fluid flows allows an increase in the cold power available while keeping a limited footprint.
  • the volume of He3 required is reduced (for example of the order of 20 to 30 liters to produce 20 ⁇ W at 20mK instead of 50 liters for known solutions for an equivalent pressure).
  • This architecture in parallel also makes it possible to use several identical or different heat exchangers, for example heat exchangers of the sintered type with identical shells or casings or of variable dimensions.
  • the size (section) of the branches (pipes) connecting the exchangers can vary or be identical.
  • the working circuit 20 comprises as many first branches of pipes 12 arranged in parallel as second branches of pipes 17 arranged in parallel (two and two in the example of the and in the example of ).
  • each first pipe branch 12 is in heat exchange with a second pipe branch 17 in at least one counter-current heat exchanger 19, 29 (and preferably in several heat exchangers).
  • each first pipe branch 12 is in heat exchange with a second pipe branch 17 in a respective group of several separate counter-current heat exchangers 19, 29 arranged in series in the circuit 20 (two heat exchangers in the example of the , three in the example of the and five in the example of the ).
  • the first heat exchange section 9 can comprise two, three, four, five or more than five separate counter-current heat exchangers 19, 29 arranged in series in the circuit 20 each ensuring a heat exchange between a first branch and a second pipe branch.
  • any other number of heat exchangers in series can be envisaged and the number of exchangers can be different from a pair of branches in parallel in heat exchange to another pair of branches in parallel in heat exchange.
  • the first portion may comprise two, three or more than three first pipe branches 12 arranged in parallel.
  • the second portion may comprise two, three or more than three second pipe branches 17 arranged in parallel.
  • the upstream ends of the first pipe branches 12 of the first portion are preferably connected to the same mixing chamber 3 (but an architecture with several discrete mixing chambers 3 receiving the flow of cycle fluid from one or more pipes 12 can be considered).
  • downstream ends of the second pipe branches 17 of the second portion are preferably connected to the same mixing chamber 3 (or several mixing chambers 3).
  • the enclosure 30 may have a generally cylindrical shape extending in a vertical direction.
  • the counter-current heat exchangers 19, 29 can be arranged in horizontal planes and distributed vertically (cf. , And ).
  • the heat exchangers 19, 29 can be fluidly connected to each other via pipes 13 or fittings.
  • the device 1 can comprise several groups of separate counter-current heat exchangers 19, 29 arranged vertically in series in the circuit 20.
  • all or part of the exchangers 19, 29 may have the shape of a flat plate, for example discoidal (possibly perforated in the center).
  • At least a part of the heat exchangers 19, 29 of each of the groups of heat exchangers in series can be arranged substantially horizontally. At least two groups of exchangers can be arranged adjacently and extending along distinct respective vertical axes.
  • At least some of the heat exchangers 19, 29 of a first group of heat exchangers can be interposed at least in part between the heat exchangers 29, 19 of a second adjacent group of heat exchangers. This makes it possible to limit the volume of the device 1 in the direction transverse to the vertical direction of stacking of the exchangers.
  • the heat exchangers 19, 29 of each group can be arranged substantially in the same horizontal plane.
  • the exchangers 19 29 can be distributed in an arc of a circle and fluidly connected to each other via pipes 13, for example curves.
  • the pipes 13 of the different groups of exchangers can be intertwined or crossed.
  • the exchangers 19, 29 can thus be arranged concentrically and/or arranged alternately from one group to another. That is to say that the heat exchangers 19, 29 of each of the two groups of exchangers can be arranged alternately substantially on the same arc of a circle and substantially in the same plane.
  • the invention is not limited to the examples described above.
  • the heat exchangers 19, 29 can be arranged according to other configurations (for example according to a branched configuration.
  • at least a part of the several heat exchangers 19, 29 designated above can be several distinct sections of a same heat exchanger (for example an exchanger casing comprising several distinct independent sections).
  • the circuit of device 1 may comprise other cooling portion(s) in exchange with a cooling member to ensure pre-cooling of the cycle fluid (for example to a temperature of the order of 4K and/ or 2K).
  • the device 1 may optionally comprise several dilution loops sharing the same heat exchangers 19, 29 or having separate respective heat exchangers.
  • the invention makes it possible to increase the cold power produced by dilution.

Landscapes

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Abstract

Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 12, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 12, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d'une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d'une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l'organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites (7, 17) reliant une sortie de l'organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première section (9) d'échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 12) et le deuxième ensemble de conduites (7, 17), la première section (9) d'échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre (3) de mélange et le bouilleur (5) une première portion à plusieurs premières branches de conduites (12) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur (5) et la chambre de mélange (3), une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites (17) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section (9) d'échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite (12) de la première portion et une seconde branche de conduite (17) de la seconde portion.

Description

    Dispositif de réfrigération à dilution
  • L’invention concerne un dispositif de réfrigération à dilution.
  • L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites, une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert, le premier ensemble de conduites étant configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre de mélange à une entrée du bouilleur et d’une sortie du bouilleur à une entrée de l’organe de transfert, le circuit de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites reliant une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange, le circuit de travail comprenant au moins une première section d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduites, la première section d’échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur située entre le bouilleur et la chambre de mélange.
  • L’invention concerne en particulier un dispositif de réfrigération cryogénique de forte puissance à basse ou très basse température (c’est-à-dire potentiellement jusque dans la gamme de température du milliKelvin à la centaine de milliKelvin).
  • L’utilisation de la réfrigération à des températures inférieures à la centaine de milliKelvin concerne essentiellement les applications pour l’étude de la matière et des phénomènes quantiques, pour la réalisation de détecteurs de rayonnement électromagnétique.
  • Les besoins de puissance froide fournis par un tel dispositif sont croissants. Cependant, l’augmentation de la puissance nécessite généralement une augmentation du volume d’hélium nécessaire. L’augmentation de la puissance fournie a également des conséquences sur les composants du dispositif et notamment la boîte à mélange et les échangeurs de chaleur (section(s) d’échange de chaleur).
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
  • Par exemple, un but est de permettre une augmentation de la puissance froide produite par un tel dispositif tout en maîtrisant son encombrement et/ou la quantité d’hélium 3 nécessaire.
  • 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 que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre de mélange et le bouilleur une première portion à plusieurs premières branches de conduites agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur et la chambre de mélange, une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite de la première portion et une seconde branche de conduite de la seconde portion.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • le circuit de travail comporte autant de premières branches de conduites agencées en parallèle que de secondes branches de conduites agencées en parallèle,
    • chaque première branche de conduites est en échange thermique avec une seconde branche de conduite dans au moins un échangeur de chaleur à contre-courant,
    • chaque première branche de conduites est en échange thermique avec une seconde branche de conduite dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit,
    • la première portion comprend deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites agencées en parallèle,
    • la seconde portion comprend deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites agencées en parallèle,
    • la première section d’échange de chaleur comprend deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites,
    • les extrémités amont des premières branches de conduites de la première portion sont reliées à une même chambre de mélange,
    • les extrémités aval des secondes branches de conduites de la seconde portion sont reliées à une même chambre de mélange,
    • le dispositif comprend une enceinte isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques du dispositif et en particulier la première section d’échange de chaleur,
    • l’enceinte a une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale, les échangeurs de chaleur à contre-courant étant disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement, les échangeurs de chaleur étant reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries,
    • le dispositif comprend plusieurs groupes d’échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit,
    • au moins une partie des échangeurs de chaleur de chacun des groupes sont disposés sensiblement horizontalement, au moins deux groupes d’échangeurs étant disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts,
    • les échangeurs de chaleur d’au moins un groupe sont disposés sensiblement dans un même plan horizontal, les échangeurs étant répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries, par exemple courbes,
    • au moins une partie des échangeurs de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur sont intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur d’une second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent.
  • 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 schématique et partielle illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif de réfrigération selon l’invention,
  • représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un détail d’un premier mode de réalisation possible de l’agencement d’échangeurs de chaleur d’un tel dispositif,
  • représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un deuxième mode de réalisation possible de l’agencement d’échangeurs de chaleur d’un tel dispositif,
  • représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un troisième mode de réalisation possible de l’agencement d’échangeurs de chaleur d’un tel dispositif.
  • Le dispositif 1 de réfrigération à dilution représenté à la comprend un circuit 20 de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant typiquement un mélange d'hélium d'isotope 3 (« 3He » ou « hélium 3 ») et d'hélium d'isotope 4 (« 4He » ou « hélium 4 »). Ce circuit 20 de travail comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites 2, 12, 4, une chambre 3 de mélange, un bouilleur 5 et un organe 6 de transfert fluidique du fluide de cycle.
  • Le premier ensemble de conduites 2, 12, 4 est configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre 3 de mélange à une entrée du bouilleur 5 et d’une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l’organe 6 de transfert.
  • Le circuit 20 de travail comprend un deuxième ensemble de conduites 7, 17 reliant une sortie de l’organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3.
  • Le bouilleur 5 (ou évaporateur) assure classiquement une séparation de phase entre l’hélium 3 et l’hélium 4 (le bain, qui contient par exemple 1% en mole d’hélium 3 est par exemple à une température comprise entre 0,7K et 1K). Le bouilleur 5 alimente l’organe 6 de transfert en hélium 3 via le premier ensemble 4 de conduite.
  • Dans la chambre 3 de mélange la température peut être de l’ordre par exemple de 5mK à 300mK et notamment entre 5mK et 150mK. L’hélium 3 concentré renvoyé par l’organe 6 de transfert dans la chambre 3 de mélange peut être localisé en partie supérieure de cette chambre 3, au-dessus d’une phase liquide diluée (contenant par exemple 6 à 7 % d’hélium 3). Une extrémité du premier ensemble de conduites 7 débouche par exemple dans cette phase concentrée supérieure.
  • Dans la chambre 3 de mélange, la phase concentrée en hélium 3 injectée se dilue dans la phase diluée, c’est ce processus de dilution endothermique qui produit la puissance frigorifique à la température de la chambre 3 de mélange.
  • Le froid produit peut être utilisé pour refroidir un utilisateur (symbolisé par la référence 24 à la ) ou au niveau de plateaux conducteurs thermiques du dispositif non représentés par souci de simplification.
  • Le circuit 20 de travail comprend au moins une première section 9 d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduites 2, 12, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7. La première section 9 d’échange de chaleur est située entre le bouilleur 5 et la chambre 3 de mélange.
  • L’ensemble des composants cryogéniques (froids en mode de fonctionnement) sont placés par exemple dans une enceinte 30 étanche ou « boîte froide » (et de préférence isolée sous vide).
  • Cette portion 9 d’échange de chaleur utilise classiquement au moins un échangeur de chaleur à contre-courant qui permet de pré-refroidir la phase concentrée en Hélium3 réinjectée dans la boîte 3 à mélange par la phase diluée en hélium3 qui remonte de cette chambre 3 de mélange vers le bouilleur 5.
  • L’efficacité des échangeurs 9 de chaleur à contre-courant entre phases diluée et phase concentrée est le point critique de ces réfrigérateurs à dilution. Les résistances thermiques dites de Kapitza qui apparaissent à très basses températures entre l’hélium et les matériaux solides et s’accroissent comme l’inverse du carré de la température rendent très difficile et critique le dimensionnement de ces échangeurs.
  • L’organe 6 de transfert comprend par exemple un compresseur du fluide de cycle et/ou un échangeur de chaleur. Par exemple, ce compresseur 6 fonctionne à température ambiante (par exemple en dehors d’une boîte 30 froide qui contient le reste du dispositif). C’est-à-dire que ce compresseur 6 peut être à température non cryogénique en configuration de fonctionnement du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
  • Le dispositif 1 peut comprendre en outre au moins un organe 22 de refroidissement en échange thermique avec le circuit 20 de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, c’est-à-dire pour refroidir le fluide de cycle. Par exemple, l’organe 22 de refroidissement comprend un échange thermique avec le circuit 20 de travail (second ensemble de conduites 7) pour refroidir le fluide à la sortie de l’organe 6 de transfert (par exemple à une température comprise entre 1,3 et 1,4K.
  • Le circuit 20 de travail peut comprendre en outre un organe de pompage cryogénique (non représenté par souci de simplification).
  • Selon une particularité avantageuse, le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre 3 de mélange et le bouilleur 5, une première portion à plusieurs premières branches de conduites 12 agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles.
  • Par exemple, entre le bouilleur 5 et la chambre de mélange 3, les conduites 2, 7 uniques comportent des ramifications en parallèle.
  • De même, le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur 5 et la chambre de mélange 3, une seconde portion de plusieurs secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles.
  • De plus, la première section 9 d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur 19, 29 discrets à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre au moins une première branche de conduite 12 de la première portion et au moins une seconde branche de conduite 17 de la seconde portion.
  • Cet agencement des échangeurs relativement aux flux de fluide de cycle permet une augmentation de la puissance froide disponible en gardant un encombrement limité. De plus, pour une même puissance froide, le volume d’He3 nécessaire est réduit (par exemple de l’ordre de 20 à 30 litres pour produire 20µW à 20mK au lieu de 50 litres pour les solutions connues pour une pression équivalente). Cette architecture en parallèle permet en outre d’utiliser plusieurs échangeurs de chaleur identiques ou différents, par exemple des échangeurs de chaleur du type fritté avec des coques ou carter identiques ou de dimensions variables.
  • De même, la taille (section) des branches (canalisations) reliant les échangeurs peut varier ou être identique.
  • De préférence, le circuit 20 de travail comporte autant de premières branches de conduites 12 agencées en parallèle que de secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle (deux et deux dans l’exemple de la et dans l’exemple de la ).
  • Comme illustré, de préférence chaque première branche de conduites 12 est en échange thermique avec une seconde branche de conduite 17 dans au moins un échangeur 19, 29 de chaleur à contre-courant (et de préférence dans plusieurs échangeurs de chaleur).
  • Par exemple, chaque première branche de conduites 12 est en échange thermique avec une seconde branche de conduite 17 dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit 20 (deux échangeurs de chaleur dans l’exemple de la , trois dans l’exemple de la et cinq dans l’exemple de la ).
  • Ainsi, la première section 9 d’échange de chaleur peut comprendre deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur 19, 29 à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit 20 assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites. Bien entendu tout autre nombre d’échangeurs de chaleur en série peut être envisagé et le nombre d’échangeurs peut être différent d’une paire de branches en parallèle en échange thermique à une autre paire de branches en parallèle en échange thermique.
  • Par exemple, la première portion peut comprendre deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites 12 agencées en parallèle. De même, la seconde portion peut comprendre deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle.
  • Les extrémités amont des premières branches de conduites 12 de la première portion sont de préférence reliées à une même chambre 3 de mélange (mais une architecture à plusieurs chambres 3 de mélange discrètes recevant le flux de fluide de cycle d’une ou plusieurs conduites 12 peut être envisagée).
  • De même, les extrémités aval des secondes branches de conduites 17 de la seconde portion sont de préférence reliées à une même chambre 3 de mélange (ou plusieurs chambres 3 de mélange).
  • Comme symbolisé aux , et , l’enceinte 30 peut avoir une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale. Les échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant peuvent être disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement (cf. , et ). Les échangeurs 19, 29 de chaleur peuvent être reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries 13 ou raccords. Ainsi, le dispositif 1 peut comprendre plusieurs groupes d’échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant distincts disposés verticalement en série dans le circuit 20.
  • Comme visible à la , tout ou partie des échangeurs 19, 29 peuvent avoir une forme de plaque plane, par exemple discoïdale (éventuellement ajourée au centre).
  • De même, au moins une partie des échangeurs 19, 29 de chaleur de chacun des groupes d’échangeurs de chaleur en série peuvent être disposés sensiblement horizontalement. Au moins deux groupes d’échangeurs peuvent être disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts.
  • De plus, comme schématisé à la , au moins une partie des échangeurs 19, 29 de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur peuvent être intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur 29, 19 d’un second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent. Ceci permet de limiter le volume du dispositif 1 dans la direction transversale à la direction verticale d’empilement des échangeurs.
  • Comme illustré dans l’exemple de la , les échangeurs 19, 29 de chaleur de chaque groupe peuvent être disposés sensiblement dans un même plan horizontal. Les échangeurs 19 29 peuvent être répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries 13, par exemple courbes.
  • De plus, les tuyauteries 13 des différents groupes d’échangeurs peuvent être entrelacées ou croisées. Les échangeurs 19, 29 peuvent ainsi être disposés concentriquement et/ou disposés de façon alternée d’un groupe à l’autre. C’est-à-dire que les échangeurs 19, 29 de chaleur de chacun des deux groupes d’échangeurs peuvent être disposés de façon alternée sensiblement sur un même arc de cercle et sensiblement dans un même plan.
  • Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus. Ainsi, les échangeurs 19, 29 de chaleur peuvent être agencés selon d’autres configurations (par exemple selon une configuration ramifiée. De plus, au moins une partie des plusieurs échangeurs 19, 29 de chaleur désignés ci-dessus peuvent être plusieurs sections distinctes d’un même échangeur de chaleur (par exemple un boîtier d’échangeur comprenant plusieurs sections indépendantes distinctes).
  • De même, le circuit du dispositif 1 peut comporter d’autre(s) portion de refroidissement en échange avec un organe de refroidissement pour assurer un pré-refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l’ordre de 4K et/ou 2K).
  • Le dispositif 1 peut éventuellement comporter plusieurs boucles de dilution partageant les mêmes échangeurs 19, 29 de chaleur ou ayant des échangeurs de chaleur respectifs distincts.
  • L’invention permet d’augmenter la puissance froide produite par dilution.

Claims (15)

  1. Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 12, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 12, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d’une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l’organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites (7, 17) reliant une sortie de l’organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première section (9) d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 12) et le deuxième ensemble de conduites (7, 17), la première section (9) d’échange de chaleur comprenant un ensemble d’échangeur(s) (5) de chaleur et étant située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre (3) de mélange et le bouilleur (5) une première portion à plusieurs premières branches de conduites (12) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur (5) et la chambre de mélange (3), une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites (17) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section (9) d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite (12) de la première portion et une seconde branche de conduite (17) de la seconde portion.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (20) de travail comporte autant de premières branches de conduites (12) agencées en parallèle que de secondes branches de conduites (17) agencées en parallèle.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque première branche de conduites (12) est en échange thermique avec une seconde branche de conduite (17) dans au moins un échangeur (19, 29) de chaleur à contre-courant.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque première branche de conduites (12) est en échange thermique avec une seconde branche de conduite (17) dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20).
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première portion comprend deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites (12) agencées en parallèle.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde portion comprend deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites (17) agencées en parallèle.
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première section (9) d’échange de chaleur comprend deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20) assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les extrémités amont des premières branches de conduites (12) de la première portion sont reliées à une même chambre (3) de mélange.
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les extrémités aval des secondes branches de conduites (17) de la seconde portion sont reliées à une même chambre (3) de mélange.
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une enceinte (30) isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques du dispositif et en particulier la première section (9) d’échange de chaleur.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’enceinte (30) a une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale et en ce que les échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant sont disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement, les échangeurs (19, 29) de chaleur étant reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries (13).
  12. Dispositif selon les revendications 4 et 11 prises en combinaison, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs groupes d’échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20).
  13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’au moins une partie des échangeurs (19, 29) de chaleur de chacun des groupes sont disposés sensiblement horizontalement, au moins deux groupes d’échangeurs étant disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts.
  14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les échangeurs (19, 29) de chaleur d’au moins un groupe sont disposés sensiblement dans un même plan horizontal, les échangeurs (19 29) étant répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries (13), par exemple courbes.
  15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu’au moins une partie des échangeurs (19, 29) de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur sont intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur (29, 19) d’une second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent.
    .
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