Brevet FR3000541A1 — publié le 20140704

La présente invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction ainsi qu'un procédé correspondant. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série : - une station de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur, - une boîte froide pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur disposés en série et au moins un organe de détente du gaz de travail, - un système d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur, - au moins une conduite de retour dans la station de compression pour le gaz de travail ayant transité dans le système d'échange thermique, la conduite de retour comprenant au moins un échangeur de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station de compression, le système de pré-refroidissement comprenant une capacité de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier et un second échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station de compression, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station de compression peut être admis sélectivement dans le premier et/ou dans le second échangeur de chaleur, le premier étage de refroidissement comprenant également un troisième échangeur de chaleur sélectivement en échange thermique avec le fluide auxiliaire. L'invention concerne notamment les réfrigérateurs/liquéfacteurs à hélium générant des températures très basses (par exemple 4,5K pour le cas de l'hélium) en vue de refroidir en continu des utilisateurs tels que des câbles supraconducteurs ou des organes d'un dispositif de génération de plasma (« TOKAMAK »). Par dispositif de réfrigération/liquéfaction, on désigne notamment les dispositifs de réfrigération et/ou les dispositifs de liquéfaction à très basse température (températures cryogéniques) refroidissant et liquéfiant le cas échéant un gaz à faible masse molaire tel que de l'hélium. Lors de la mise en froid de l'utilisateur, c'est-à-dire lorsque l'utilisateur doit être amené d'une température de départ relativement élevée (par exemple 300K ou au-dessus) jusqu'à une température basse déterminée, de fonctionnement nominal (par exemple autour de 80K). Le dispositif de réfrigération/liquéfaction est généralement peu adapté à une telle mise en froid. En effet, lors de la mise en froid de composants lourds (comme des aimants surpra-conducteurs par exemple) de la température ambiante jusqu'à 80K sur une grande période (pendant quelques dizaines de jours), des flux d'hélium relativement chaud et froid (alimentation en direction de l'utilisateur et retour de l'utilisateur) transitent à contre-courant dans des échangeurs communs. Pour le bon fonctionnement du dispositif, il est cependant nécessaire de limiter l'écart de température entre ces flux d'hélium (par exemple entre 40K et 50K d'écart au maximum). A cet effet le dispositif comporte un système de pré-refroidissement auxiliaire qui fournit des frigories pendant cette mise en froid. Comme illustré notamment dans l'article (« Solutions for liquid nitrogen precooling in helium refrigeration cycles » de U. Wagner du CERN - 2000), le système de pré-refroidissement comprend généralement une capacité d'azote liquide (à température constante, par exemple 80K) qui fournit des frigories au gaz de travail via au moins un échangeur de chaleur. Ces systèmes connus de pré-refroidissement présentent cependant des contraintes ou inconvénients. Ainsi, des mélanges de fluides sont nécessaires entre de l'hélium à 80K et de l'hélium plus chaud (à la température ambiante ou à la température de retour de l'utilisateur à refroidir). Pour limiter la consommation d'azote liquide il est par ailleurs nécessaire de récupérer les frigories de l'hélium qui revient de l'utilisateur à refroidir au fur et à mesure de son refroidissement. Ces contraintes d'écart de température et de performance nécessitent des technologies d'échangeurs de chaleur différentes en fonction des différentes configurations de fonctionnement (mise en froid, fonctionnement normal). Ainsi, pendant l'opération normale (hors de la phase de mise en froid), les échangeurs doivent être très performants, c'est-à-dire avoir de faibles pertes de charge et ne doivent pas être confrontés à des écarts de température importants. Les échangeurs de chaleurs adaptés pour ce fonctionnement normal comprennent des échangeurs de type en aluminium à plaque et ailettes brasées. Ce type d'échangeur ne peut typiquement accepter des écarts de température entre fluides à contre courant de plus de 50 K. Pendant la mise en froid d'utilisateurs massifs, la performance de l'échange thermique requis dans les échangeurs est moins importante mais reste élevée. En revanche, les écarts de température (du fait de l'azote liquide à température constante) deviennent relativement importants (supérieurs à 50K). Lorsque les températures de l'hélium sont encore élevées dans les circuits et échangeurs, la perte de charge est bien supérieure à celle requise en fonctionnement normal. Des solutions existantes pour résoudre ces problèmes nécessitent un échangeur principal à l'entrée de la boîte froide qui assure un échange thermique entre l'hélium et l'azote. D'autres solutions prévoient de scinder cet échangeur principal en plusieurs sections indépendantes réalisées dans des technologies d'échangeurs différentes selon la nature du fluide (hélium ou azote). Ces solutions ne résolvent pas de façon satisfaisante les problèmes car le dispositif est soit mal adapté au fonctionnement normal, soit mal adapté à la 25 phase de mise en froid. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en 30 ce que le troisième échangeur de chaleur est relié à la fois en série et en parallèle au premier et au second échangeurs de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier et/ou du second échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième échangeur de chaleur, le circuit de travail comprenant une conduite de récupération munie d'au moins une vanne et qui relie la sortie du troisième échangeur de chaleur au second échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur vers le second échangeur de chaleur. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - au moins l'un parmi : le premier, le second et le troisième échangeur de chaleur est un échangeur en aluminium de type à plaque et à ailettes, - le troisième échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur immergé au moins partiellement dans la capacité de fluide auxiliaire, - le troisième échangeur de chaleur est un échangeur distant de la capacité et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite d'alimentation, - le dispositif comporte une conduite d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité à un système de récupération déporté via un passage dans le second échangeur de chaleur, pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail, - à la sortie du troisième échangeur de chaleur, le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite de récupération, ladite portion comprenant un ensemble de vanne(s) pour assurer une répartition sélective entre les deux lignes parallèles, - la conduite de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur, se raccorde en aval au circuit de travail de la boîte froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail. - le premier et un second échangeur de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station de compression via un réseau de conduites et de vannes formant une liaison en parallèle et une liaison en série entre les deux échangeurs de chaleur ainsi qu'une ligne de by- pass du premier échangeur de chaleur, - la capacité est sélectivement alimentée en fluide auxiliaire via une conduite d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire et munie d'une vanne, - le premier échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre des flux différents de gaz de travail à des températures respectives différentes et comprend un premier passage alimenté en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant de la station de compression, un second passage à contre- courant du premier passage et alimenté par la conduite de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite de renvoi du circuit de travail renvoyant du gaz de travail à partir de la boîte froide n'ayant pas transité dans le système d'échange thermique, - le second échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre le gaz de travail et le gaz auxiliaire et comprend un premier passage alimenté en gaz de travail provenant du premier échangeur de chaleur et/ou provenant directement de la boîte froide, un second passage, à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz auxiliaire vaporisé via la conduite d'évacuation, un troisième passage alimenté en gaz de travail via la conduite de récupération, - les sorties de fluide de travail des premier et second échangeurs de chaleur ainsi que la ligne de by-pass du premier échangeur de chaleur sont raccordées en parallèle à l'entrée de fluide de travail du troisième échangeur via un réseau de conduites et de vannes de sorte que le troisième échangeur de chaleur reçoit du fluide de travail provenant sélectivement soit uniquement du premier échangeur de chaleur et/ou du fluide de travail provenant uniquement du second échangeur de chaleur et/ou du fluide de travail ayant transité par le premier puis le second échangeur de chaleur. L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 120K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant admis à nouveau au moins en partie en amont dans le second échangeur de chaleur pour y céder des frigories. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 50 et 200K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide sans repasser en amont par le second échangeur de chaleur, - l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 90 et 400K, après l'étape de pré-refroidissement lorsque l'utilisateur atteint une température comprise entre 50 et 90K, le procédé comportant ensuite une étape de refroidissement continu de l'utilisateur dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est séparé en deux fractions refroidies par échange thermique respectivement dans le premier échangeur de chaleur et dans le second échangeur de chaleur, les deux fractions de gaz étant ensuite regroupées et refroidies dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide sans repasser en amont par le second échangeur de chaleur, - le procédé comporte une étape de récupération d'au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé et une étape de transfert des frigories de ce fluide auxiliaire vaporisé vers le gaz de travail dans le second échangeur de chaleur. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant la structure d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur, - la figure 2 représente de façon schématique et partielle, un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur, - la figure 3 représente de façon schématique et partielle un détail de la boîte froide d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération selon un second exemple de réalisation, - les figures 4 à 6 représentent le détail de la figure 3 selon respectivement différentes configurations de fonctionnement distinctes. Comme représenté à la figure 1, l'installation 100 peut comprendre, classiquement, un dispositif de réfrigération/liquéfaction comprenant un circuit de travail soumettant de l'hélium à un cycle de travail pour produire du froid. Le circuit de travail du dispositif de réfrigération 2 comprend une station 1 de compression munie d'au moins un compresseur 5 et de préférence plusieurs compresseurs qui assurent une compression de l'hélium. En sortie de la station de la station 1 de compression, l'hélium entre dans une boite 2 froide pour le refroidissement de l'hélium. La boîte 2 froide comprend plusieurs échangeurs 5 de chaleur qui échangent thermiquement avec l'hélium pour refroidir ce dernier. De plus, la boîte 2 froide comprend une ou plusieurs turbines 7 pour détendre l'hélium compressé. De préférence, la boite 2 froide fonctionne selon un cycle thermodynamique de type Brayton ou tout autre cycle approprié. Au moins une partie de l'hélium est liquéfié à la sortie de la boîte 2 froide et entre dans un système 14 d'échange thermique prévu pour assurer un échange thermique sélectif entre l'hélium liquide et un utilisateur 10 à refroidir. L'utilisateur 10 comprend par exemple un générateur de champ magnétique obtenu à l'aide d'un aimant supraconducteur et/ou une ou des unités de pompage par cryo-condensation ou tout autre organe nécessitant un refroidissement à très basse température. Comme schématisé à la figure 1, le dispositif comprend en outre, de façon connue en soit, un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station 2 de compression. Le système de pré-refroidissement comprend une capacité 3 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide. La capacité 3 est reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail. Par exemple, la capacité 3 peut être alimentée en fluide auxiliaire via une conduite 13 d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire (non représentée) et munie d'une vanne 23 (cf. figure 3). Dans l'exemple plus détaillé de la figure 2, la station 1 de compression comporte deux compresseurs 11, 12 en série définissant par exemple trois niveaux de pression pour l'hélium. Comme schématisé, la station 2 de compression peut comporter également des organes 8 de purification de l'hélium. A la sortie de la station 1 de compression, l'hélium est admis dans une boîte 2 froide dans laquelle cet hélium est refroidi par échange thermique avec plusieurs échangeurs 5 et dans laquelle il est détendu dans des turbines 7. L'hélium liquéfié dans la boite 2 froide peut être stocké dans une réserve 14 munie d'un échangeur 144 destiné à échanger thermiquement avec l'utilisateur 10 à refroidir (par exemple via un circuit muni d'une pompe). Ce système 14 d'échange thermique entre l'hélium et l'utilisateur 10 peut comporter toute autre structure appropriée. L'hélium à basse pression ayant transité dans le système 14 d'échange thermique est renvoyé vers la station 1 de compression via une conduite 9 de retour en vue de recommencer un cycle de travail. Lors de ce retour, l'hélium relativement froid cède des frigories aux échangeurs 5 de chaleur et de cette façon assure le refroidissement de l'hélium relativement chaud qui est refroidi et détendu en sens inverse avant d'atteindre l'utilisateur 10. Comme illustré, le circuit de travail peut comporter une conduite 19 de renvoi renvoyant vers la station 1 de compression de l'hélium de la boîte froide 2 n'ayant pas transité dans le système 14 d'échange thermique. Comme visible à la figure 2, le dispositif comprend un système de pré-refroidissement comprenant une capacité 13 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide à une température de 80K par exemple. La boîte 2 froide comprend un premier étage de refroidissement de l'hélium qui reçoit l'hélium dès sa sortie de la station 1 de compression. Ce premier étage de refroidissement comporte un premier 5 échangeur de chaleur et un second 15 échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station 1 de compression. C'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station 2 de compression peut être admis sélectivement dans le premier 5 et/ou dans le second 15 échangeur de chaleur. Le premier 5 échangeur de chaleur est par exemple du type à échange de chaleur entre des flux différents d'hélium à des températures respectives différentes. Le premier 5 échangeur peut comporter un premier passage alimenté 6 en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant directement de la station 1 de compression, un second passage à contre-courant du premier passage et alimenté par la conduite 9 de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite 19 de renvoi. Le second 15 échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre le gaz de travail et le gaz auxiliaire et comprend par exemple un premier passage alimenté 16 en gaz de travail provenant du premier 5 échangeur de chaleur et/ou provenant directement de la boîte 2 froide, un second passage, à contre-courant du premier passage et prévu pour du gaz auxiliaire vaporisé, ainsi qu'un troisième passage alimenté en gaz de travail via la conduite 125 de récupération. Comme illustré dans l'exemple de la figure 3, le premier 5 et un second 15 échangeur de chaleur peuvent être raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station 1 de compression via un réseau de conduites 6, 16, 26, 36 et de vannes 116, 126, 136 formant : - une liaison en parallèle entre les deux échangeurs 5, 15 de chaleur - une liaison en série entre les deux échangeurs 5, 15 de chaleur ainsi qu' - une ligne de by-pass du premier 5 échangeur de chaleur. Le premier étage de refroidissement comprend également un troisième échangeur de chaleur 25. Ce troisième échangeur 25 de chaleur est relié à la fois en série et en parallèle au premier 5 et au second 15 échangeur de chaleur. C'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier 5 et/ou du second 15 échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième 25 échangeur de chaleur. Comme illustré par exemple plus en détail à la figure 3, ceci est obtenu en reliant une entrée de fluide du troisième échangeur 25 de chaleur à deux sorties de fluides appartenant respectivement au premier 5 et second échangeur 15. Comme illustré à la figure 1, le circuit de travail comprend une conduite 125 de récupération qui relie sélectivement la sortie du troisième échangeur de chaleur 25 au second 15 échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur 25 vers le second échangeur de chaleur 15. Par exemple, à la sortie d'hélium du troisième échangeur de chaleur 25, le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite 125 de récupération. Cette portion de circuit peut comprendre un ensemble de vanne(s) 225, 44 pour assurer une répartition sélective de l'hélium entre les deux lignes parallèles (cf. figure 3). De plus, la conduite 125 de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur 25, se raccorde en aval au circuit de travail de la boîte 2 froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail. Le troisième échangeur 25 de chaleur est alimenté sélectivement en fluide auxiliaire (azote par exemple). Par exemple, le troisième échangeur de chaleur 25 est un échangeur distant de la capacité 3 et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite 13 d'alimentation. Ceci permet de transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers l'hélium au sein du troisième échangeur 25 de chaleur. Comme visible à la figure 2, le dispositif comporte de préférence une conduite 225 d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité 3 à un système de récupération déporté via un passage dans le second 15 échangeur de chaleur. Ceci permet de transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail traversant le second échangeur 15 de chaleur. La figure 3 illustre une variante de réalisation du premier étage de refroidissement du dispositif. La forme de réalisation de la figure 3 se distingue de celle de la figure 2 uniquement en ce que le troisième échangeur de chaleur 25 est cette fois immergé dans la capacité de fluide auxiliaire. Les figures 4 à 6 sont trois configurations distinctes pouvant être utilisées lors d'une succession d'un exemple de fonctionnement possible du dispositif. Dans une première phase de mise en froid d'un utilisateur illustrée à la figure 4, l'hélium provenant de la station 1 de compression est refroidi en série successivement dans les premier 5, second 15 et troisième 25 échangeurs de chaleur (vannes 116 et 126 fermées, vanne 136 ouverte). De plus, à la sortie du troisième échangeur 25 de chaleur, l'hélium refroidi revient faire un passage dans le second 15 échangeur de chaleur via la conduite 125 de récupération (vannes 225 et 44 ouvertes). Le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur (il en ressort par exemple à une température de 270K environ). Ceci peut correspondre au début d'une opération de mise en froid d'un utilisateur initialement à une température de 300K. Durant cette première phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 300K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 110K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 154K en aval 4 du premier étage de refroidissement. Une seconde phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 200K peut comporter la même configuration que celle de la figure 4. Durant cette seconde phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 200K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 110K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 154K en aval 4 du premier étage de refroidissement. Dans cette seconde phase le fluide auxiliaire (azote) à une température de 30 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 190K environ. Une troisième phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 140K peut comporter la même configuration que celle de la figure 4. Durant cette troisième phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 140K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 115K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 96K en aval 4 du premier étage de refroidissement. Dans cette troisième phase le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 140K environ. Une quatrième phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 120K peut comporter une configuration qui diffère de celle de la figure 4 uniquement en ce que l'hélium sortant du troisième échangeur 25 de chaleur n'est pas recirculé dans le second 15 échangeur de chaleur (vanne 225 fermée). Durant cette quatrième phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 120K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 115K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K en aval 4 du premier étage de refroidissement. Dans cette quatrième phase, le fluide auxiliaire (azote) à une température 20 de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 120K environ. Enfin, après ce processus de pré-refroidissement, lorsque l'utilisateur a atteint sa température basse de fonctionnement nominal (par exemple 80K), le dispositif peut adopter une cinquième phase de fonctionnement illustrée à la 25 figure 6. Cette cinquième phase de fonctionnement dit « nominal » ou normal (c'est-à-dire stabilisé), se distingue de la configuration de la figure 5 uniquement en ce que l'hélium issu de la station 1 de compression se répartit entre les premier 5 et second 15 échangeurs de chaleur (vannes 116 et 126 fermée tandis que la vanne 30 136 est ouverte). Durant cette cinquième phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 86K avant d'entrer dans le troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K en sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, Dans cette cinquième phase, le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 300K environ. Les architectures décrites ci-dessus permettent ainsi de mettre en froid un composant massif d'une température relativement chaude (par exemple 300K à une température relativement basse (par exemple 80K) avec le même nombre d'équipements que nécessaire au fonctionnement normal (nominal) du réfrigérateur/liquéfacteur. En effet, les trois échangeurs 5, 15 et 25 peuvent être avantageusement des échangeurs de chaleur du même type, par exemple en aluminium à plaques et ailettes. Ceci permet d'utiliser des échangeurs 5, 15, 25 compacts et de façon efficace pour tous les modes de fonctionnement du dispositif (mise en froid ou fonctionnement normal). Cette architecture permet en particulier de réduire la taille du premier 5 échangeur de chaleur par rapport aux systèmes connus. En effet, ce premier 5 échangeur de chaleur n'accueille que de l'hélium (pas d'azote). De plus, le débit d'hélium à haute pression (venant de la station 1 de compression) peut y être réduit en partie en répartissant une partie de cet hélium dans le second 15 échangeur de chaleur. De plus, les débits relativement chauds et froids d'hélium ne sont pas complètement équilibrés, c'est-à-dire que les débits froids induisent une augmentation du pincement c'est-à-dire une augmentation de l'écart de température minimum entre les fluides froids et les fluides chauds le long de l'échangeur et une augmentation du « LMTD » c'est-à-dire une augmentation de la moyenne logarithmique des différences de températures de l'échangeur 5 de chaleur. En effet, en proportion, les frigories apportées par les débits froids deviennent plus importantes que les calories à extraire du débit chaud. Les débits froids subissent donc un réchauffement moins important, d'où l'augmentation du LMTD de l'échangeur 5 de chaleur. En fonctionnement normal, le premier 5 et le second 15 échangeur fonctionnement en parallèle (figure 6). Lors d'une mise en froid, ces deux échangeurs 5, 15 fonctionnent au contraire en série. Cet agencement permet de réduire les écarts de températures au niveau du second 15 échangeur de chaleur du fait de l'hélium transféré dans le second changeur 15 via la conduite 125 de récupération. Cet hélium de la conduite 125 de récupération est réchauffé en cédant des 5 frigories au second 15 échangeur de chaleur puis est mélangé au débit d'hélium relativement froid qui part vers l'aval dans la boîte froide. Le dispositif présente de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur. Ainsi, le dispositif permet notamment de dimensionner les premier 5, second 15 et troisième 25 échangeurs pour le fonctionnement normal du 10 réfrigérateur et peuvent ainsi être constitués d'échangeurs en aluminium à plaques et ailettes. Le dispositif permet de plus de réguler de façon simple et efficace la température de l'hélium selon le mode de fonctionnement. REVENDICATIONS1. Dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série : - une station (1) de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur (11, 12), - une boîte froide (2) pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs (5) de chaleur disposés en série et au moins un organe (7) de détente du gaz de travail, - un système (14) d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur (10), - au moins une conduite de retour (9) dans la station de compression (1) pour le gaz de travail ayant transité dans le système (14) d'échange thermique, la conduite (9) de retour comprenant au moins un échangeur (5) de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station (2) de compression, le système de pré-refroidissement comprenant une capacité (3) de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité (3) étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide (2) comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier (5) et un second (15) échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station (1) de compression, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station (2) de compression peut être admis sélectivement dans le premier (5) et/ou dans le second (15) échangeur de chaleur, le premier étage de refroidissement comprenant également un troisième échangeur de chaleur (25) sélectivement en échange thermique avec le fluide auxiliaire, caractérisé en ce que le troisième échangeur (25) de chaleur est relié à la fois en série et en parallèle au premier (5) et au second (15) échangeurs de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier (5) et/ou dusecond (15) échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième (25) échangeur de chaleur, et en ce que le circuit de travail comprend une conduite (125) de récupération munie d'au moins une vanne (225) et qui relie la sortie du troisième échangeur de chaleur (25) au second (15) échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur (25) vers le second échangeur de chaleur (15). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins l'un parmi : le premier (5), le second (15) et le troisième (25) échangeur de chaleur est un échangeur en aluminium de type à plaque et à ailettes. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (25) est un échangeur de chaleur immergé au moins partiellement dans la capacité (3) de fluide auxiliaire. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (25) est un échangeur distant de la capacité (3) et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite (13) d'alimentation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite (225) d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité (3) à un système de récupération déporté via un passage dans le second (15) échangeur de chaleur, pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, à la sortie du troisième échangeur de chaleur (25), le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite (125) de récupération, ladite portion comprenant un ensemble de vanne(s) (225, 44) pour assurer une répartition sélective entre les deux lignes parallèles. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la conduite (125) de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur (25), se raccorde en aval au circuitde travail de la boîte (2) froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail. 8. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 120K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est admis à nouveau au moins en partie en amont dans le second (15) échangeur de chaleur pour y céder des frigories. 9. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 50 et 200K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide (2) sans repasser en amont par le second (15) échangeur de chaleur. 10. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 90 et 400K et en ce que, après l'étape de pré-refroidissement lorsque l'utilisateur atteint une températurecomprise entre 50 et 90K, le procédé comporte ensuite une étape de refroidissement continu de l'utilisateur (10) dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est séparé en deux fractions refroidies par échange thermique respectivement dans le premier (5) échangeur de chaleur et dans le second (15) échangeur de chaleur, les deux fractions de gaz étant ensuite regroupées et refroidies dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide (2) sans repasser en amont par le second (15) échangeur de chaleur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de récupération (225) d'au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé et une étape de transfert des frigories de ce fluide auxiliaire vaporisé vers le gaz de travail dans le second (15) échangeur de chaleur.