Brevet FR3123715A1 — publié le 20221209

L’invention concerne un système de refroidissement cryogénique comprenant, disposés en série, au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1b, 2b) agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, au moins un détendeur (4) pour détendre le gaz cryogénique comprimé, un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu, un échangeur récupérateur (3) adapté pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur (4) et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur (5), caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source froide (10) adaptée pour refroidir chaque radiateur à une température cryogénique et en ce que chaque compresseur est thermiquement isolé ou agencé de sorte à être refroidi par la source froide. Figure pour l’abrégé : Fig 2 Système de refroidissement cryogénique La présente invention concerne un système de refroidissement cryogénique. Etat de la technique Un système de refroidissement du type Turbo-Brayton utilise des procédés de compression, de refroidissement, de détente et de réchauffement afin d’obtenir un refroidissement par expansion adiabatique d’un gaz initialement à température ambiante. Un tel système de refroidissement peut avoir plusieurs niveaux de compression par des compresseurs successifs. Chaque compression engendre un réchauffement du gaz comprimé. En général, la compression de gaz est effectuée à température ambiante et un radiateur ou un autre dispositif de refroidissement est utilisé en aval de chaque compresseur de manière à refroidir le gaz comprimé à une température proche de la température ambiante, en dissipant de l’énergie du gaz comprimé. Le gaz comprimé est ensuite fortement refroidi dans un échangeur récupérateur et atteint ensuite sa température minimale par une expansion en aval dudit échangeur récupérateur. Le gaz peut donc être utilisé pour l’application envisagée, par exemple la liquéfaction d’un autre gaz tel que l’hydrogène, ou le refroidissement d’un appareil supraconducteur. Pendant l’utilisation, la température du gaz augmente suite à l’échange thermique avec l’appareil à refroidir. Le gaz est ensuite réutilisé en tant que source froide pour refroidir le gaz comprimé dans l’échangeur récupérateur et sa température augmente à une valeur proche de la température ambiante. En général, le gaz est directement réintroduit dans le système de compressions successives. Pour la condensation (ou liquéfaction) de l’hydrogène à partir de vapeur d’hydrogène froide, on nécessite des échangeurs récupérateurs efficaces pour un échange de chaleur entre une température basse d’environ 20-25 K et une température haute qui est légèrement en-dessous de la température ambiante, typiquement autour de 290K. La illustre un tel système de refroidissement. Après les étapes de compression dans les compresseurs 1a et 2a, le gaz comprimé est refroidi à température ambiante par les radiateurs 1b et 2b. Le gaz est ensuite refroidi à une température d’environ 20-25 K en passant par un échangeur récupérateur 3 dans le conduit 3a. Après ce passage, le gaz est détendu dans un organe de détente 4 qui est typiquement une turbine d’expansion. A la sortie de l’organe de détente 4, le gaz atteint une température de 17-18 K et est donc apte à liquéfier de l’hydrogène à une température de 20K dans un échangeur 5 connecté thermiquement à l’application envisagée 8. Après l’échange thermique 18 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient supérieure à 20K. Par intermédiaire du conduit 3b, le gaz est reconduit dans l’échangeur récupérateur 3, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 3a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température ambiante et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1a. Des tels systèmes de refroidissement sont lourds et très encombrants. Par ailleurs, leur consommation électrique est élevée. Un but de l’invention est de concevoir un système de refroidissement plus léger, moins encombrant et ayant une consommation électrique réduite, comprenant, disposés en série, au moins un compresseur pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, au moins un détendeur pour détendre le gaz cryogénique comprimé, un échangeur de chaleur adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu, un échangeur récupérateur adapté pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source froide adaptée pour refroidir chaque radiateur à une température cryogénique et en ce que chaque compresseur est thermiquement isolé ou agencé de sorte à être refroidi par la source froide. La température la plus élevée dans le cycle de refroidissement est la température de ladite source froide, ce qui permet de réduire considérablement la consommation énergétique et de minimiser l’encombrement du système. Avantageusement, la source froide comprend un circuit d’un fluide cryogénique. Dans certains modes de réalisation, l’au moins un compresseur comprend une isolation thermique en mousse de polyuréthane. Dans d’autres modes de réalisation, l’au moins un compresseur est agencé dans une enceinte présentant une double paroi, l'espace entre les deux parois étant vide de tout gaz. De préférence, l’échangeur de chaleur est adapté pour fonctionner à une température comprise entre 17 K et 35 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K. Dans certains modes de réalisation, le fluide cryogénique est de l’azote. Dans d’autres modes de réalisation, le fluide cryogénique est du méthane. Quand le fluide cryogénique est du méthane, le système comprend avantageusement un dispositif de récupération du méthane sous forme gazeuse. L’invention se rapporte aussi à une installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule ou un conteneur, un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications précédentes agencé dans ledit véhicule ou conteneur, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier. De préférence, l’installation comprend un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’au moins un radiateur à une température cryogénique. Dans certains modes de réalisation, l’installation comprend un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec la source froide pour refroidir l’au moins un radiateur à une température cryogénique. L’invention se rapporte aussi à un procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes : une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur après chaque étape de compression, le passage dudit gaz dans un échangeur récupérateur refroidissant le gaz comprimé, l’expansion dudit gaz dans un organe de détente, l’utilisation dudit gaz pour le refroidissement d’un appareil à refroidir, le passage dudit gaz dans l’échangeur récupérateur en récupérant de l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit, caractérisé en ce que le ou les radiateurs sont refroidis à une température cryogénique par une source froide et chaque compresseur est refroidi par ladite source froide ou thermiquement isolé. Dans certains modes de réalisation, l’au moins un compresseur est supporté par la source froide. Dans d’autres modes de réalisation, l’au moins un compresseur est isolé par une isolation thermique en mousse. Dans d’autres modes de réalisation, l’au moins un compresseur est isolé par une double paroi dont l'espace intermédiaire est vide de tout gaz. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique du type Turbo-Brayton conventionnel. La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention. La illustre l’utilisation du système de refroidissement cryogénique pour la re-liquéfaction d’hydrogène. Description détaillée de modes de réalisation La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention. Le système comprend une source froide 10 refroidie par un fluide cryogénique. Ladite source froide 10 est adaptée pour refroidir un ou plusieurs radiateurs 1b, 2b situés chacun en sortie d’un compresseur 1a, 2a respectif, à une température cryogénique. La source froide 10 procure ainsi un environnement froid permettant au radiateur, par échange de chaleur, de refroidir le gaz comprimé par le compresseur à la température cryogénique. Par « froid », on entend dans le présent texte que la zone ou l’élément concerné est à une température cryogénique, c’est-à-dire une température typiquement inférieure à 115 K. A titre d’exemple illustratif et non limitatif, la source froide peut être un une plaque, un support ou tout autre élément comprenant des conduits dans lesquels circule le fluide cryogénique. De manière avantageuse, le fluide cryogénique est un liquide cryogénique ayant une forte puissance cryogénique grâce à sa chaleur latente, comme par exemple l’azote liquide ou le méthane liquide. Ladite source froide est typiquement agencée dans une zone thermiquement isolée. De manière avantageuse, ladite zone est une enceinte comprenant des parois thermiquement isolées et/ou un volume vide de tout gaz. L’isolation thermique desdites parois peut être une mousse thermiquement isolante, par exemple une mousse de polyuréthane. La source froide 10 présente une température inférieure à la température ambiante qui est typiquement d’environ 300K, par exemple à 77 K quand le fluide cryogénique est de l’azote liquide, ou à 110 K quand le fluide cryogénique est du méthane liquide. Le fluide cryogénique circule de manière à utiliser la capacité calorifique dudit fluide cryogénique pour le refroidissement du gaz comprimé par chaque compresseur par l’intermédiaire de chaque radiateur. Les compresseurs 1a et 2a peuvent être agencées dans la même zone que les radiateurs 1b, 2b. Dans une telle zone, les compresseurs 1a, 2a et les radiateurs 1b, 2b sont avantageusement en contact thermique avec la source froide 10. En outre, chaque compresseur 1a, 2a est avantageusement en contact thermique avec le radiateur 1b, 2b respectif. De manière alternative, les compresseurs 1a et 2a peuvent être thermiquement isolés du reste du système, qui est généralement à température ambiante, dans le but de présenter une température aussi proche que possible de la température de la source froide 10. Une telle isolation thermique est par exemple une mousse de polyuréthane entourant le compresseur, ou une enceinte à double paroi dans laquelle l’espace entre les parois est vidé de tout gaz. Dans d’autres modes de réalisation, d’autres compresseurs et radiateurs successifs peuvent être ajoutés au système. Lesdits compresseurs et radiateurs successifs peuvent être agencés en contact thermique avec la même source froide 10 que les compresseurs 1a et 2a. De manière alternative, lesdits compresseurs et radiateurs successifs peuvent comporter une isolation thermique telle qu’une mousse de polyuréthane ou un récipient à double paroi Eventuellement, le système peut comprendre un seul compresseur et un seul radiateur. Les compresseurs sont conçus de manière à fonctionner à la température de la source froide 10, en prenant en compte les dilatations thermiques et la robustesse des matériaux à basse température. Un échangeur-récupérateur 3 comprenant un conduit 3a à l’aval du compresseur 2b et un conduit 3b en amont du compresseur 1 peut être agencé en-dehors de la zone 10. Afin de maintenir ledit échangeur-récupérateur à une température sensiblement égale à la température dans la zone refroidie 10, il peut être placé dans un cryostat ou comporter une isolation thermique qui est typiquement en mousse de polyuréthane. Un ou plusieurs détendeurs 4 sont agencés en aval du conduit 3a. Un tel détendeur est par exemple une turbine d’expansion ou un détendeur du type Joule-Thompson. Pour augmenter l’efficacité du système, plusieurs détendeurs peuvent être agencés en série ou en parallèle. Un échangeur thermique 5, agencé en aval de du ou des détendeurs 4, permet l’échange thermique 18 avec l’application 8. Ledit échangeur thermique 5 est lié fluidiquement au conduit 3b de l’échangeur récupérateur 3. Un conduit apte à réintroduire le gaz dans le compresseur 1a est agencé en aval du conduit 3b. Afin de refroidir une application 8, on comprime un gaz cryogénique compris dans le système dans les compresseurs 1a et 2a, une telle compression produisant un échauffement dudit gaz. De préférence, ledit gaz cryogénique est de l’hélium. De manière alternative, le gaz peut être un mélange d’hélium et de néon, ou de l’hydrogène. Après chaque étape de compression, le gaz comprimé est refroidi à la température de la zone 10 par un radiateur 1b ou 2b. D’autres étapes de compression et de refroidissement successifs peuvent être ajoutées dans le procédé. Le circuit dudit gaz cryogénique est distinct du circuit de fluide cryogénique dans la source froide. Le gaz cryogénique est généralement différent du fluide cryogénique de la source froide. Le gaz comprimé est ensuite refroidi à une température d’environ 20-25 K en passant par l’échangeur récupérateur 3 dans le conduit 3a. Après ce passage, le gaz est détendu dans le ou les détendeurs 4. A la sortie du ou des détendeurs 4, le gaz atteint sa température minimale et est conduit dans l’échangeur 5 connecté thermiquement à l’application envisagée 8. Après l’échange thermique 18 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient supérieure à la température de l’application 8. Par l’intermédiaire du conduit 3b, le gaz est reconduit dans l’échangeur récupérateur 3, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 3a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température de la zone 10 et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1a. A titre d'exemple illustratif et non limitatif, le système peut être utilisé pour une liquéfaction ou re-liquéfaction d’hydrogène. Par liquéfaction, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir d’hydrogène à température ambiante, c’est-à-dire à une température d’environ 280-300 K, qui implique de refroidir l’hydrogène puis de le liquéfier. Par re-liquéfaction ou condensation, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir de vapeurs froides qui viennent d’être générées par évaporation d’une partie de l’hydrogène liquide et qui sont encore froides, c’est-à-dire à une température proche de celle de l’hydrogène liquide. La re-liquéfaction ou condensation implique donc uniquement de liquéfier l’hydrogène sans passer par une phase de refroidissement car les vapeurs sont déjà froides. Par sous-refroidissement, on entend un procédé de refroidissement de l’hydrogène liquide à une température inférieure à la température de liquéfaction. Pour la liquéfaction, la re-liquéfaction ou le sous-refroidissement d’hydrogène, la température du gaz cryogénique à l’entrée de l’échangeur 5 est de 17-18K. Ledit gaz est donc apte à liquéfier de l’hydrogène à une température entre 17 et 35 K, ou à sous-refroidir de l’hydrogène liquide à une température comprise entre 17 et 20K. L’échangeur de chaleur 5 doit être adapté pour fonctionner à une température comprise entre 17 K et 35 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K. La illustre l’utilisation d’un système de refroidissement 20 selon l’invention pour la re-liquéfaction et le sous-refroidissement de l’hydrogène. Le réservoir d’hydrogène contient de l’hydrogène liquide 32 à une température de 25 K et de la vapeur d’hydrogène 31. Pour la re-liquéfaction, la vapeur d’hydrogène est amenée dans le système de refroidissement 20 par le conduit 21, liquéfiée via l’échangeur dudit système, et reconduite dans le réservoir 28 via le conduit 23. Pour un sous-refroidissement, l’hydrogène liquide du même réservoir est amené à l’échangeur du système de refroidissement 20 via le conduit 22, sous-refroidi à une température comprise entre typiquement 17 et 20 K, et reconduit dans le réservoir 28 par le conduit 23. Alternativement, le système peut être utilisé pour le refroidissement d’un moteur, générateur supraconducteur ou tout autre système supraconducteur, par exemple un câble ou un limiteur de courant. Dans ce cas, la température du fluide cryogénique à l’entrée de l’échangeur est typiquement proche de 20 K. Le système est donc apte à refroidir l’élément supraconducteur à une température comprise entre 20 et 50 K. L’homme du métier saura adapter la puissance fournie par l’échangeur à la température souhaitée pour l’application. Un tel système de refroidissement peut être utilisé pour des applications nécessitant des températures qui sont typiquement en-dessous de 60 K. La consommation électrique d’un système selon l’intervention est typiquement réduite d’un facteur 8-10 par rapport à un système conventionnel sans la source froide 10. La masse et l’encombrement sont typiquement réduits d’un facteur de l’ordre 3-4 par rapport à un tel système conventionnel. Un tel système peut être conçu de manière à être mobile ou déplaçable dans un véhicule ou un conteneur, permettant ainsi de générer une température de liquéfaction à des endroits tel qu’un bateau, un avion, une station mobile destinée à l’utilisation au sol d’un aéroport ou tout autre dispositif nécessitant d’être déplacé. Un tel système mobile comprend un connecteur électrique apte à être connecté à une source de puissance électrique pour alimenter électriquement chaque composant du système de refroidissement cryogénique. Le système comprend en outre un connecteur fluidique apte à être connecté fluidiquement à une source de fluide cryogénique comme par exemple un réservoir d’azote liquide ou de méthane liquide. Dans le cas d’un système mobile, un réservoir de fluide cryogénique est avantageusement agencé dans le même véhicule ou conteneur. Par exemple un tel refroidisseur cryogénique peut être embarqué dans un avion ou un autre système mobile pour des durées courtes. Dans ce cas, on peut embarquer un volume d’azote liquide qui permettra de refroidir la zone 10 à 77 K. Le système cryogénique permet d’utiliser des systèmes supraconducteurs tels qu’un moteur ou un générateur pour le déplacement du système mobile. Un autre exemple d’application est un refroidisseur mobile au sol d’un aéroport utilisé pour reliquéfier les vapeurs d’hydrogène des avions après leur atterrissage. Le refroidisseur peut être déplacé d’un avion à l’autre pour reconditionner les réservoirs des avions en liquéfiant les vapeurs et en refroidissant l’hydrogène liquide. Le fluide cryogénique peut être utilisé pour d’autres applications après son utilisation dans le système de refroidissement. Par exemple, si le fluide cryogénique est du méthane liquide, ledit méthane peut être récupéré sous forme gazeuse dans un dispositif de récupération adapté et utilisé dans un système de propulsion. Système de refroidissement cryogénique comprenant, disposés en série, au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1b, 2b) agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, au moins un détendeur (4) pour détendre le gaz cryogénique comprimé, un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu, un échangeur récupérateur (3) adapté pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur (4) et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur (5), caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source froide (10) adaptée pour refroidir chaque radiateur à une température cryogénique et en ce que chaque compresseur est thermiquement isolé ou agencé de sorte à être refroidi par la source froide. Système selon la revendication 1 dans lequel la source froide (10) comprend un circuit d’un fluide cryogénique. Système selon la revendication 1 dans lequel l’au moins un compresseur comprend une isolation thermique en mousse de polyuréthane. Système selon la revendication 1 dans lequel l’au moins un compresseur est agencé dans une enceinte présentant une double paroi, l'espace entre les deux parois étant vide de tout gaz. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur de chaleur (5) est adapté pour fonctionner à une température comprise entre 17 K et 35 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K. Système selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel le fluide cryogénique est de l’azote. Système selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel le fluide cryogénique est du méthane. Système selon la revendication 7, comprenant un dispositif de récupération du méthane sous forme gazeuse. Installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule ou un conteneur, un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications précédentes agencé dans ledit véhicule ou conteneur, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier. Installation selon la revendication 9, comprenant un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’au moins un radiateur à une température cryogénique. Installation selon l’une des revendications 9 ou 10, comprenant un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec la source froide (10) pour refroidir l’au moins un radiateur à une température cryogénique. Procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes : une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur (1a,2a) et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur (1b,2b) après chaque étape de compression, le passage dudit gaz dans un échangeur récupérateur (3) refroidissant le gaz comprimé, l’expansion dudit gaz dans un organe de détente (4), la circulation dudit gaz dans un échangeur thermique (5) couplé à un appareil (8) à refroidir, le passage dudit gaz dans l’échangeur récupérateur (3) en récupérant de l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit, caractérisé en ce que le ou les radiateurs sont refroidis à une température cryogénique par une source froide (10) et chaque compresseur est refroidi par ladite source froide ou thermiquement isolé. Procédé selon la revendication 12 dans lequel l’au moins un compresseur est supporté par la source froide (10). Procédé selon la revendication 12 dans lequel l’au moins un compresseur est isolé par une isolation thermique en mousse. Procédé selon la revendication 12 dans lequel l’au moins un compresseur est isolé par une double paroi dont l'espace intermédiaire est vide de tout gaz.