Brevet FR3014543A1 — publié le 20150612

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température. L'invention peut notamment concerner un procédé et un dispositif de liquéfaction et un procédé et un dispositif de réfrigération fonctionnant à l'hélium. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement et/ou de liquéfaction à basse température d'un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail pourvu d'une station de compression et d'une boîte froide, la station de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs comprenant une roue de compresseur solidaire d'un axe monté rotatif sur des paliers, l'axe de chaque compresseur étant entraîné en rotation par un arbre de sortie d'un moteur via un mécanisme d'engrenage logé dans un carter mécanique comprenant de l'huile de lubrification. Les réfrigérateurs ou liquéfacteur fonctionnant à basse température (par exemple inférieure à 80K notamment entre 80K et 4K) utilisent classiquement un fluide de travail (par exemple de l'hélium ou un mélange contenant de l'hélium) soumis à un cycle de travail comprenant une compression, éventuellement une détente, un refroidissement, un réchauffage. Ces appareils nécessitent en général plusieurs étages de compression du gaz de travail. Chaque étage de compression utilise une ou plusieurs roues de compresseur. Par exemple, ces dispositifs utilisent des compresseurs du type centrifuge. Les stations de compression d'hélium (ou de mélange contenant de l'hélium) nécessitent un nombre important d'étages de compression pour compenser le faible taux de compression de chaque étage (cf. par exemple 25 FR2919716A1). En particulier, chaque arbre de compresseur doit également tourner à une vitesse relativement élevée afin de garantir une bonne efficacité de compression. L'efficacité globale d'un compresseur multi-étagé est dépendante de plusieurs critères, notamment : 30 - l'efficacité des roues de compression et des volutes (pour augmenter le taux de compression), - l'efficacité du refroidissement inter-étages (pour limiter la perte de charge du système), - les pertes mécaniques (notamment par frottement entre les pièces mobiles). Les fuites de gaz de travail dans la station de compression au niveau de l'interface entre les parties tournantes et les parties fixes sont inévitables. En particulier lorsque le gaz de travail est de l'hélium, on constate des fuites de gaz relativement importantes au niveau des paliers qui sustentent les arbres des roues des compresseurs. Pour limiter cette perte de gaz de travail relativement coûteux, il est connu de limiter la fuite au niveau de chaque palier de chaque étage de compression via des organes tels que des garnitures formant des labyrinthes pour gaz, des garnitures à huile, des garnitures à anneau flottant, des garnitures à gaz... Outre le fait que ces dispositifs augmentent le coût de l'installation, ces systèmes connus ne sont pas toujours adaptés à la technologie des refroidisseurs/liquéfacteurs. De plus, l'huile présente dans le mécanisme de la station de compression ne doit pas polluer le gaz de travail (par mélange avec l'hélium ou par apport d'humidité et/ou d'hydrocarbures légers). En effet, ces impuretés introduites dans le circuit de travail risquent de créer des bouchons aux températures cryogéniques et de casser les équipements. Ainsi, de tels dispositifs peuvent comporter facultativement des systèmes de récupérations d'éventuelles fuites d'hélium comme décrit par exemple dans le document FR2953913A1. Selon ce document, un gaz de barrage peut être injecté pour recueillir les fuites d'hélium. L'étanchéité d'un compresseur centrifuge hélium utilise donc la technologie consistant à isoler les parties contenant l'huile de lubrification via un gaz de barrage (azote). Un barrage à l'hélium gazeux est prévu pour éviter toute fuite d'azote vers le gaz de travail (hélium). Cette technologie présente des avantages mais est source de coût important car ce système d'étanchéité doit être installé sur chaque étages du 30 compresseur. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le volume interne du carter mécanique contient une atmosphère gazeuse constituée d'un mélange gazeux ayant une masse molaire moyenne inférieure à la masse molaire de l'air. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter mécanique comprend une proportion d'hélium en mole supérieure à la proportion d'hélium dans l'air (en mole), - l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter mécanique comprend une proportion d'hélium en mole comprise entre 5% et 100%, - l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter mécanique comprend une proportion molaire majoritaire de l'hélium, - l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter mécanique comprend de l'hélium et l'un au moins des gaz parmi : de l'azote, de l'argon, un ou des composés du fluide de travail, - le dispositif comprend un organe d'injection d'un gaz de barrage au niveau d'au moins un palier du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de collecte, au moins une partie de la zone de collecte comprend le carter mécanique, c'est-à-dire que le gaz de barrage contenant l'hélium de fuite récupéré alimente le volume interne du carter mécanique, - le dispositif comprend un organe de purification de l'atmosphère interne du carter moteur relié audit carter moteur via une première conduite de prélèvement d'un mélange de gaz et d'huile du carter et une seconde conduite de retour d'huile purifiée, l'organe de purification comprenant une sortie de récupération de gaz de travail récupéré lors de la purification, - le dispositif comprend un organe de compression du mélange prélevé par la conduite de prélèvement pour fourni à l'organe de purification un mélange comprimé à une pression déterminée, - l'organe de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère interne du carter comprend un mécanisme lubrifié à huile dont l'huile est identique ou de même nature que l'huile de lubrification du carter mécanique, l'organe de purification étant commun pour purifier l'huile de lubrification du carter mécanique et l'huile de l'organe de compression du mélange prélevé par la conduite de prélèvement, - au moins une partie des compresseurs de la station de compression sont des compresseurs du type centrifuges, - le gaz de barrage comprend au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'azote, un ou des composés du fluide de travail, - le carter mécanique est étanche, - l'organe de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère interne du carter comprend un compresseur du type à vis lubrifiée, - le circuit de travail soumet le gaz de travail à un cycle comprenant en série : une compression du fluide de travail dans la station de compression, un refroidissement et éventuellement une détente du fluide de travail dans la boîte froide et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station de compression, L'invention concerne également un procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction à basse température d'un fluide de travail, notamment un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant un circuit de travail pourvu d'une station de compression et d'une boîte froide, le réfrigérateur/liquéfacteur soumettant le gaz de travail dans le circuit de travail à un cycle comprenant en série: une compression du fluide de travail dans la station de compression, un refroidissement dans la boîte froide et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station de compression, la station de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs comprenant une roue de compresseur solidaire d'un axe monté rotatif sur des paliers, l'axe de chaque compresseur étant entraîné en rotation par un arbre de sortie d'un moteur via un mécanisme d'engrenage logé dans un carter mécanique comprenant de l'huile de lubrification, l'atmosphère gazeuse à l'intérieur du volume interne du carter mécanique étant contrôlée pour contenir un mélange gazeux ayant une masse molaire moyenne inférieure à la masse molaire de l'air. Selon d'autres particularités possibles : - le procédé comprend une étape d'injection d'un gaz de barrage au niveau d'au moins un palier du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de collecte, le volume interne du carter étant alimenté en mélange de gaz de barrage et d'hélium de fuite collecté. - le procédé comprend une étape de purification de l'atmosphère interne du carter pour séparer le gaz de travail l'huile et réinjecter l'huile purifiée dans le carter, - le procédé comprend une étape de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère avant l'étape de purification, - - l'étape de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère interne du carter utilise un mécanisme lubrifié à huile dont l'huile est identique ou de même nature que l'huile de lubrification du carter mécanique, l'étape de purification de l'atmosphère interne du carter mécanique étant commune à une étape de purification de l'huile de l'organe de compression du mélange en amont d'étape de purification. 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 schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de réalisation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de roue de compresseur montée sur paliers comprenant un mécanisme d'entraînement selon l'invention, - la figure 3 représente une vue de face, schématique et partielle, d'une extrémité du mécanisme de la figure 3 illustrant l'entraînement par le moteur d'une pluralité d'axes de compresseurs, - la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un détail d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention illustrant une purification de gaz du dispositif contenant de l'huile de lubrification. Le dispositif de refroidissement et/ou de liquéfaction représenté partiellement et schématiquement à la figure 1 opère à des températures cryogéniques, par exemple comprises entre 4K et 80K. Ce dispositif contient de préférence un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur. Le dispositif 1 comprend classiquement un circuit de travail pourvu d'une station 2 de compression et d'une boîte 3 froide. Le circuit 18 de travail soumet le gaz de travail à un cycle comprenant en série : une compression du fluide de travail dans la station 2 de compression, un refroidissement (et éventuellement une détente) du fluide de travail dans la boîte froide 3 et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station 2 de compression. La station 2 de compression comprend un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs 12. Comme illustré schématiquement à la figure 2, chaque roue 12 de compresseur est solidaire d'un axe 25 monté rotatif sur des paliers 5. Un joint d'étanchéité 17 est placé notamment à une extrémité de l'axe 25. L'axe 25 de chaque compresseur 12 est classiquement entraîné en rotation 20 par un arbre 6 de sortie d'un moteur 4 via un mécanisme 7 d'engrange(s) (notamment un système multiplicateur de vitesse) logé dans un carter 8 mécanique. Comme visible à la figure 3, l'arbre 6 de sortie du moteur peut entraîner plusieurs axes 25 de compresseurs 12 via au moins une roue 7. 25 Le carter 8 mécanique est clos et contient une atmosphère huileuse et par exemple un bain d'huile 9 de lubrification mise en mouvement par les pièces mécaniques mobiles. Selon une caractéristique avantageuse, le volume interne du carter 8 mécanique contient une atmosphère gazeuse constituée d'un mélange gazeux 30 ayant une masse molaire moyenne inférieure à la masse molaire de l'air. C'est-à- dire que, au lieu de prévoir une atmosphère d'air ou d'azote dans ce carter 8, on prévoit que l'atmosphère interne de gaz a une masse molaire plus basse que l'air ou l'azote. Par exemple, l'intérieur du carter contient une proportion d'hélium déterminée. De préférence l'ambiance gazeuse dans le carter 8 mécanique contient de l'hélium et éventuellement l'un au moins des gaz parmi : de l'azote, de l'argon, un ou des composés du fluide de travail. L'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter 8 mécanique comprend par exemple une proportion d'hélium en mol supérieur à la proportion d'hélium dans l'air. De préférence, l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter 8 mécanique comprend une proportion molaire majoritaire de l'hélium éventuellement complété par l'un au moins parmi : de l'azote, de l'argon, de l'air, un ou des composés du fluide de travail. Cette atmosphère gazeuse permet de réduire fortement la contribution des pertes mécaniques du compresseur et ainsi améliorer le rendement du dispositif. En effet, les frottements des pièces en mouvement (axes, engrenages, trains, ...) sont réduits dans une atmosphère de gaz à masse molaire relativement plus faible. Cette réduction des frottements est d'autant plus grande que la vitesse de déplacement des pièces mécaniques mobiles est plus grande. Une source de gaz à faible masse molaire peut être prévue pour maintenir cette atmosphère au sein du carter 8. Un ou des capteurs peuvent être prévus pour contrôler cette atmosphère et réguler sa composition le cas échéant. De préférence, le carter 8 mécanique est donc étanche. Comme illustré aux figures 1 et 2, le dispositif 1 peut comprendre facultativement un organe 10 d'injection d'un gaz de barrage au niveau d'au moins un palier 5 du ou des compresseurs 12 pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de collecte. De plus, de façon avantageuse sans que cela soit nécessaire, le mélange de gaz de barrage et de gaz de travail récupéré peut être utilisé pour alimenter l'intérieur du carter 8 mécanique (pour former l'atmosphère à faible masse molaire). En effet, dans ce cas, si l'hélium est déjà présent dans le gaz de travail, il 30 est avantageux d'utiliser ce même gaz hélium comme gaz de barrage et/ou de laisser « fuir » l'hélium ou le gaz de travail vers l'intérieur du carter 8 (comme illustré schématiquement par des flèches à la figure 2). En revanche, les autres systèmes d'étanchéités sur l'axe 25 peuvent être plus simples que les solutions proposées dans l'art antérieur. Le coût de fabrication global du compresseur pourra être ainsi réduit. De préférence, l'hélium ainsi envoyé dans le carter 8 mécanique doit être récupéré car sa perte réduit l'intérêt économique de la solution. Pour cela, de préférence cet hélium transféré dans le carter 8 mécanique est récupéré et traité. Ainsi, un premier système de séparation d'huile peut être installé pour limiter la quantité d'huile qui sortira du carter 8 du compresseur 12. L'hélium récupéré peut contenir des impuretés d'air si le carter 8 mécanique n'est pas parfaitement étanche vis-à-vis de l'extérieur. Il est ainsi nécessaire de rendre le carter 8 mécanique (contenant notamment le mécanisme multiplicateur de vitesse) le plus étanche possible vis-à-vis de l'atmosphère extérieure afin d'éviter de perdre trop d'hélium vers l'extérieur. Comme illustré schématiquement à la figure 1, il donc également préférable de prévoir un système de purification 11 de l'hélium récupéré (ligne 16) pour séparer l'huile résiduelle et également épurer cet hélium des autres polluants (par exemple : air, eau, ...) afin de pouvoir le récupérer et éventuellement réinjecter (ligne 14) cet hélium dans le cycle de travail. Habituellement, l'huile 9 de ce carter mécanique est également gérée par 20 un système externe à celle-ci avec un réservoir, une pompe et des vannes d'injections et de régulation. Le circuit d'huile en contact avec l'hélium devra également limiter les pertes d'hélium vers l'extérieur. Le système 11 de purification contiendra de préférence un élément 25 classique du type filtration mécanique, coalesceur et/ou adsorption permettant de retirer les gouttelettes et vapeurs d'huiles présentes dans l'hélium. Comme illustré à l'exemple de la figure 3, une première conduite 16 de prélèvement récupère du mélange de gaz et d'huile du carter 8 vers un organe 111 de purification. L'organe de purification 111 de la figure 3 peut comprendre ou 30 être constitué d'un « coalesceur » permettant de limiter la quantité d'huile qui sort sous forme liquide du carter avec retour direct par une ligne 13. Une autre sortie 14 de l'organe 111 de purification peut comprendre un flux qui doit encore être traité pour les vapeurs et/ou d'autres impuretés. Si cet organe 111 assure toute la purification, l'huile purifiée peut être renvoyée dans le carter 8 mécanique via une seconde conduite 13 de retour. L'hélium récupéré lors de la purification est renvoyée, par exemple dans le circuit de travail. Comme illustré à la figure 4, il peut être nécessaire de comprimer cet hélium mélangé à de l'huile récupéré par la conduite 16 de prélèvement avant le traitement (purification). Un compresseur 15 de récupération peut être prévu à cet effet en amont de l'organe 11 de purification. Selon une particularité avantageuse, si ce compresseur 15 de récupération est du type à huile, la même huile (ou une huile chimiquement compatible) est utilisée pour les carters 8 mécaniques des compresseur 12 de la station 2 de compression et pour le compresseur 15 de récupération. Si ce compresseur 15 de récupération est un compresseur à vis lubrifié, une huile déterminée est nécessaire pour permettre une meilleure séparation finale de l'huile et de l'hélium. Par exemple, une huile du type synthétique à faible pression de vapeur saturante peut être utilisée. L'organe 11 de purification peut ainsi être commun aux deux systèmes de compression (compresseurs 12 de la station 2 et compresseur 15 de récupération). Ceci permet de standardiser et diminuer le coût d'ensemble du dispositif. Le dispositif et le procédé permettent ainsi de simplification la structure des paliers 5. Le coût du dispositif 1 et de son fonctionnement sont réduits. La performance du mécanisme d'entraînement des compresseurs dans le carter 8 mécanique est notamment améliorée. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement et/ou de liquéfaction à basse température d'un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif (1) comprenant un circuit de travail pourvu d'une station (2) de compression et d'une boîte (3) froide, la station (2) de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs comprenant une roue (12) de compresseur solidaire d'un axe (25) monté rotatif sur des paliers (5), l'axe (25) de chaque compresseur (12) étant entraîné en rotation par un arbre (6) de sortie d'un moteur (4) via un mécanisme (7) d'engrenage logé dans un carter (8) mécanique comprenant de l'huile (9) de lubrification , caractérisé en ce que le volume interne du carter (8) mécanique contient une atmosphère gazeuse constituée d'un mélange gazeux ayant une masse molaire moyenne inférieure à la masse molaire de l'air. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter (8) mécanique comprend une proportion d'hélium en mole supérieure à la proportion d'hélium dans l'air (en mole). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter (8) mécanique comprend une proportion d'hélium en mole comprise entre 5% et 100%. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter (8) mécanique comprend une proportion molaire majoritaire de l'hélium. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse de l'intérieur du carter (8) mécanique comprend de l'hélium et l'un au moins des gaz parmi : de l'azote, de l'argon, un ou des composés du fluide de travail. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (10) d'injection d'un gaz de barrage au niveau d'au moins un palier (5) du ou des compresseurs (12) pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant ducircuit de travail vers une zone de collecte et en ce qu'au moins une partie de la zone de collecte comprend le carter (8) mécanique, c'est-à-dire que le gaz de barrage contenant l'hélium de fuite récupéré alimente le volume interne du carter (8) mécanique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (11) de purification de l'atmosphère interne du carter (8) moteur relié audit carter (8) moteur via une première conduite (16) de prélèvement d'un mélange de gaz et d'huile du carter (8) et une seconde conduite (13) de retour d'huile purifiée, l'organe (11) de purification comprenant une sortie (14) de récupération de gaz de travail récupéré lors de la purification. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (15) de compression du mélange prélevé par la conduite (16) de prélèvement pour fourni à l'organe (11) de purification un mélange comprimé à une pression déterminée. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe (15) de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère interne du carter comprend un mécanisme lubrifié à huile dont l'huile est identique ou de même nature que l'huile (9) de lubrification du carter (8) mécanique et en ce que l'organe (11) de purification est commun pour purifier l'huile (9) de lubrification du carter (8) mécanique et l'huile de l'organe (15) de compression du mélange prélevé par la conduite (16) de prélèvement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins une partie des compresseurs de la station (2) de compression sont des compresseurs du type centrifuges. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gaz de barrage comprend au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'azote, un ou des composés du fluide de travail. 12. Procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction à basse température d'un fluide de travail, notamment un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant un circuit de travail pourvu d'une station (2) de compression et d'une boîte (3) froide, le réfrigérateur/liquéfacteur soumettant le gaz de travaildans le circuit de travail à un cycle comprenant en série: une compression du fluide de travail dans la station (2) de compression, un refroidissement dans la boîte froide (3) et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station (2) de compression, la station (2) de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs comprenant une roue (12) de compresseur solidaire d'un axe (25) monté rotatif sur des paliers (5), l'axe (25) de chaque compresseur (12) étant entraîné en rotation par un arbre (6) de sortie d'un moteur (4) via un mécanisme (7) d'engrenage logé dans un carter (8) mécanique comprenant de l'huile (9) de lubrification, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse à l'intérieur du volume interne du carter (8) mécanique est contrôlée pour contenir un mélange gazeux ayant une masse molaire moyenne inférieure à la masse molaire de l'air. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'injection d'un gaz de barrage au niveau d'au moins un palier (5) du ou des compresseurs (12) pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de collecte et en ce que le volume interne du carter (8) est alimenté en mélange de gaz de barrage et d'hélium de fuite collecté. 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de purification de l'atmosphère interne du carter (8) pour séparer le gaz de travail l'huile et réinjecter l'huile purifiée dans le carter (8). 15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de compression du mélange de gaz et d'huile de l'atmosphère avant l'étape de purification.