Brevet FR3129199A1 — publié le 20230519

Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte (2) délimitant un volume étanche refermé par un couvercle (3, 13), le dispositif (1) comprenant au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté au travers du couvercle (3, 13) et ayant une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte (2) et une seconde extrémité située dans l’enceinte (2), le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif (1) comprenant un ensemble de plateaux (5, 6, 7, 8, 9) conducteurs thermiques disposés dans l’enceinte (2) formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur (4, 40) cryogénique, le dispositif (1) comprenant un ensemble de passages (10,11) formés au travers du couvercle (3) et des plateaux (5, 6, 7, 8, 9) pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) dans l’enceinte (2), caractérisé en ce qu’au moins une partie du couvercle (3, 13) est composée d’une bride (13) formant un support pour le refroidisseur (4, 40) cryogénique, ladite bride (13) portant le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle (3). Figure de l’abrégé : Fig. 1 Dispositif de réfrigération cryogénique L’invention concerne un dispositif de réfrigération cryogénique. L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte délimitant un volume étanche refermé par un couvercle, le dispositif comprenant au moins un refroidisseur cryogénique monté au travers du couvercle et ayant une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte et une seconde extrémité située dans l’enceinte, le refroidisseur cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif comprenant un ensemble de plateaux conducteurs thermiques disposés dans l’enceinte formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur cryogénique, le dispositif comprenant un ensemble de passages formés au travers du couvercle et des plateaux pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) dans l’enceinte. L’invention concerne un dispositif de réfrigération permettant de refroidir des éléments à une température cryogénique inférieure à 100K et notamment inférieure à 50K ou inférieure à 4K. En particulier, l’invention concerne les dispositifs de réfrigération qui permettent de refroidir à des températures très basses, de l’ordre du millikelvin. Ces températures très basses sont classiquement obtenues via un réfrigérateur à dilution. Un réfrigérateur à dilution utilise un mélange d’hélium 3 et d’hélium 4 dans un circuit de travail comprenant un bouilleur, une chambre de mélange et un organe de mise en circulation du flux d’hélium. Le refroidissement est obtenu au niveau de la chambre de mélange à partir de l'enthalpie de mélange lorsque l'hélium-3 est dilué dans l'hélium 4. Par exemple, un dispositif de réfrigération possède 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 comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduite(s), une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert du fluide. Le premier ensemble de conduite(s) est 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 comprend un deuxième ensemble de conduite(s) reliant une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange. Le circuit de travail comprend au moins une première portion d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite(s) et le deuxième ensemble de conduite(s), cette première portion d’échange de chaleur étant située entre le bouilleur et la chambre de mélange. Un organe de refroidissement est généralement prévu en échange thermique avec le circuit de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle. Un tel réfrigérateur à dilution comprend typiquement plusieurs étages de refroidissement, chaque étage étant configuré pour obtenir une température respective pendant le fonctionnement du réfrigérateur à dilution. Les composants à refroidir peuvent être couplés thermiquement à ces étages pour répondre aux spécificités de l'application. Ces réfrigérateurs à dilution sont classiquement disposés dans un dispositif de refroidissement cryogénique comprenant une enceinte permettant d’accéder aux parties froides (étages de refroidissement) via des passages dédiés. Un refroidisseur cryogénique mécanique supplémentaire est généralement prévu pour refroidir l’enceinte et fournir des frigories au refroidisseur à dilution. La fabrication de tels dispositifs de réfrigération est complexe et coûteuse. En particulier, en fonction des spécifications de puissance froide, de surface ou de volume à refroidir, et d’accès requises, le nombre de réfrigérateurs cryogéniques et la géométrie (taille notamment) du dispositif doivent être adaptés. Les liaisons fluidiques et mécaniques des divers composants du dispositif rendent par ailleurs difficiles les opérations de fabrication et de maintenance. 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 qu’au moins une partie du couvercle est composée d’une bride formant un support pour le refroidisseur cryogénique, ladite bride portant le refroidisseur cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle . Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le couvercle comprend une découpe ou un renfoncement délimitant un orifice dans le couvercle, en position fixée de la bride sur le reste du couvercle, la bride obture de façon étanche ledit orifice, la découpe ou le renfoncement dans le couvercle définit un logement conjugué d’au moins une partie de la bride, en position fixée, la bride étant emboîtée au moins partiellement dans ledit logement, la bride est fixée au reste du couvercle par un ensemble d’axes de fixation, par exemple des vis, le dispositif comprend au moins un joint d’étanchéité interposé entre la bride et le reste du couvercle et/ou au moins un joint interposé entre le refroidisseur cryogénique et la bride, le refroidisseur cryogénique est du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail et en ce que tout ou partie des composants du circuit de travail sont également montés solidaires de la bride, l’un au moins des composants du circuit de travail suivants sont montés solidaires de la bride: au moins une gaine, un système de réfrigération à dilution, un ensemble de tuyauterie pour le fluide de travail, une ensemble de capacité(s) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage du fluide de travail, un organe d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s), un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage, une tresse de liaison thermique, un refroidisseur de type à gaz pulsé, un ou plusieurs interrupteurs thermiques, un ou plusieurs pièges à impureté, un soufflet, un système d’amortissement mécanique, le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs cryogéniques montés sur des brides support respectives, le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs cryogéniques montés sur une même bride, le dispositif comprend au moins un refroidisseur cryogénique parmi ; un refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling, et/ou au moins parmi : un réfrigérateur du type à dilution, un réfrigérateur de type Joule-Thompson à He3 ou He4, un réfrigérateur à désaimantation adiabatique, le dispositif comprend au moins un refroidisseur cryogénique monté en partie centrale du couvercle via sa bride et un ensemble de plusieurs passages formés au travers du couvercle et situés en périphérie du au moins un réfrigérateur cryogénique. 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 en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d’un dispositif de réfrigération cryogénique selon l’invention, représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple d’un module de refroidisseur cryogénique pouvant être utilisé dans un tel dispositif de réfrigération cryogénique, représente une vue en perspective, schématique et partiellement coupée, illustrant un exemple d’un détail d’un dispositif de réfrigération cryogénique selon l’invention, représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un exemple d’un couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration démontée, représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant un autre exemple de couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration montée, représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant un autre exemple de couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration montée, représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un autre exemple d’un couvercle d’un tel dispositif de réfrigération cryogénique en configuration démontée. Le dispositif 1 de réfrigération cryogénique illustré à la comprend une enceinte 2 délimitant un volume étanche refermé par un couvercle 3, 13 supérieur. Ce type de dispositif 1 est parfois appelé « cryostat ». L’enceinte 2 est par exemple cylindrique et peut être composée d’acier inoxydable ou d'aluminium par exemple. En fonctionnement, le volume intérieur de l’enceinte 2 peut être mis sous vide à des fins d’isolation thermique notamment. Le dispositif 1 comprend, dans l’exemple de la , deux refroidisseurs 4, 40 cryogéniques montés au travers du couvercle 3, 13 et ayant chacun une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte 2 (à température ambiante) et une seconde extrémité située dans l’enceinte 2 (à température cryogénique en fonctionnement). Chaque refroidisseur 4, 40 cryogénique est configuré pour produire une puissance froide au niveau de sa seconde extrémité. Le dispositif 1 comprend un ensemble de plateaux 5, 6, 7, 8, 9 conducteurs thermiques répartis verticalement dans l’enceinte 2 et formant des étages thermiques refroidis par au moins des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (par exemple du haut vers le bas les plateaux sont refroidis à des températures cryogéniques décroissantes). Les plateaux 5, 6, 7, 8, 9 sont composés d’un matériau conducteur thermique, par exemple du cuivre ou tout autre alliage ou tout matériau approprié. Les plateaux 5, 6, 7, 8, 9 peuvent être espacés les uns des autres par des tiges à faible conductivité thermique (non représentées par souci de simplification). De façon connue en soi, au moins un des plateaux 5 ,6 ,7 8, 9 peut être le support pour divers appareils ou échantillons à refroidir à basse température, par exemple des puces quantiques, et/ou des circuits ou capteurs supraconducteurs. Chaque plateau 5, 6, 7, 8, 9 peut être relié à un écran 23 thermique qui vient englober tout ou partie des plateaux inférieurs suivants. C’est-à-dire que les écrans 23 forment des volumes qui sont contenus les uns dans les autre (volumes « gigognes »). Tout ou partie des écrans 23 peuvent être refroidis par un refroidisseur 4, 40 cryogénique par couplage thermique. Le dispositif 1 comprend un ensemble de passages 10, 11 formés au travers du couvercle 3 et des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) (sonde(s) ou autre) dans l’enceinte 2 et par exemple pour l’accès aux plateaux 5, 6, 7, 8, 9. En particulier, les orifices 10, 11 peuvent être prévus dans le dispositif 1 pour permettre à une "sonde" expérimentale de passer à l'intérieur de l’enceinte 2 pour fournir un échantillon à refroidir tout en maintenant un vide à l'intérieur de l’enceinte 2. Le ou les refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (deux dans l’exemple de la , sont prévus pour fournir une puissance froide dans l’enceinte 2 en vue de refroidir les plateaux (et écrans thermiques le cas échéant) à des températures déterminées. Le dispositif 1 comprend en particulier au moins un refroidisseur 4 cryogénique de type « mécanique » par exemple un refroidisseur cryogénique tel qu’refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling. Alternativement ou cumulativement, le dispositif 1 peut comprendre en particulier au moins un refroidisseur 40 cryogénique de type à dilution. Selon une particularité avantageuse, au moins une partie du couvercle 3, 13 est composée d’une bride 13 formant un support pour un refroidisseur 4, 40 cryogénique, ladite bride 13 portant le refroidisseur 4, 40 cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle 3. C’est-à-dire que au moins une partie des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (et de préférence tous les refroidisseurs 4, 40 cryogéniques) sont montés sur une ou des brides 13 qui sont démontables du reste du couvercle 3. Ceci permet de rendre amovible et relativement indépendant le ou les refroidisseurs cryogéniques 4, 40 du reste du dispositif. Les refroidisseurs 4, 40 peuvent être montés, testés séparément du reste du dispositif et peuvent être standards et montés sur différents types de dispositifs 1 (différentes géométries d’enceintes 2, de couvercles 3, de plateaux…). La bride 13 peut être composée d’une plaque moulée et/ou usinée, par exemple en matériau identique à celui composant le reste du couvercle 3. La bride 13 peut en particulier former un obturateur d’une partie ouverte du reste 3 du couvercle. En particulier, le ou les refroidisseurs cryogéniques 4, 40 peuvent être caractérisés, dimensionnés, fabriqués et testés indépendamment du reste de la configuration du dispositif. Par exemple, ces refroidisseurs 4, 40 sur leur bride 13 support peuvent être identiques pour différentes gammes de dispositifs. Un nombre d’un ou plusieurs réfrigérateurs cryogéniques 4, 40 peut être monté le couvercle 13 d’un dispositif 1 en fonction des besoins et spécifications. Le démontage, l’entretien, la réparation, le remplacement sont également facilités. Un même module (refroidisseur(s) cryogénique(s) sur une bride 13) peut être placé dans le couvercle 3 de façon centrée ou excentrée selon la géométrie du couvercle 3 et/ou de l’architecture des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 ou des enceintes 23. Le refroidisseur 4, 40 cryogénique peut être du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail et tout ou partie des composants du circuit de travail peuvent également être montés solidaires de la bride 13. Comme illustré par exemple à la , la bride 13 peut porter au moins une gaine 15, 16 étanche englobant des parties froides, un système 16 de réfrigération à dilution, un ensemble 17, 21 de tuyauteries pour le fluide de travail, un ensemble de capacité(s) 18 (tampon) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage 19 du fluide de travail, un organe 20 d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s). Bien entendu seulement une partie de ces composants peut être montée sur la bride 13 et/ou d’autres composants peuvent être montés sur la bride 13 comme par exemple un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage. Les autres composants (non directement liés au fonctionnement du refroidisseur cryogénique) peuvent être montés sur le reste du couvercle 3. Par exemple, comme illustré à la , le couvercle 3 (hors bride 13) peut être le support d’un boîtier 24 de thermométrie (mesurant et/ou chauffant). De même, le couvercle 3 (hors bride 13) peut être le support d’une pompe 25 pour assurer la mise sous vide de l’enceinte 2. De plus un raccord 26 ou système de pompage fluidique de fluide de la réfrigération à dilution peut malgré tout être encore situé sur ce couvercle 3. Chaque module de réfrigérateur cryogénique 4, 40 peut être monté (ou démonté et retiré) verticalement par rapport au reste du couvercle 3. Comme visible notamment aux et , le couvercle 3 peut comprendre une découpe ou renfoncement délimitant un orifice 30 dans le couvercle 3. En position fixée (montée) de la bride 13 sur le reste du couvercle 3, la bride 13 obture de façon étanche ledit orifice 30. Le découpe ou renfoncement dans le couvercle 3 définit par exemple un logement concave complémentaire d’au moins une partie de la bride 13 de sorte qu’en position fixée la bride 13 est emboîtée au moins partiellement dans ledit logement. Comme visible notamment aux et , la bride 13 peut être fixée au reste du couvercle 3 par un ensemble d’axes 14 de fixation, par exemple des vis. Par exemple la bride 13 est vissée par le dessous du couvercle 3. Comme schématisé, le dispositif 1 comprend de préférence au moins un joint 22 d’étanchéité interposé entre la bride 13 et le reste du couvercle 3 (cf. ) et/ou au moins un joint 22 d’étanchéité interposé entre le refroidisseur 4, 40 cryogénique et la bride 13 (cf. ). Le ou les joints 22 sont par exemple toriques. Comme illustré, le dispositif 1 peut comprendre un seul refroidisseur 4 cryogénique (cf. , ) ou plusieurs refroidisseurs 4, 40 cryogéniques (cf. , ) dans lesquels chaque refroidisseur 4, 40 cryogénique est monté sur une bride 13 support respective (un seul refroidisseur 4, 40 cryogénique est monté sur une bride 13 support). Bien entendu, il est possible d’envisager qu’une même bride 13 soit le support de plusieurs refroidisseurs 4, 40 cryogéniques. Dans l’exemple de la le dispositif comprend trois refroidisseurs 4, 40 cryogéniques montés en partie centrale du couvercle 3 via leur brides 13 respectives. Les passages 10 formés au travers du couvercle 3 peuvent être situés en périphérie des réfrigérateurs 4, 40 cryogéniques. Dans l’exemple de la un premier refroidisseur cryogénique 4 peut être du type mécanique (tube à gaz pulsé par exemple) et configuré pour refroidir un premier plateau 5 supérieur à une première température froide, par exemple autour de 50K et un second plateau 6 à une seconde température froide, par exemple autour de 5K. Les plateaux 7, 8, 9 sont par exemple refroidis à des températures de plus en plus basses, par exemple de l’ordre respectivement de 800mK, 50mK et 3mK par le réfrigérateur 16 à dilution de l’autre réfrigérateur 40 cryogénique. Bien entendu, toute autre combinaison de refroidisseurs 4, 40 cryogéniques et plateaux peut être envisagée, par exemple quatre réfrigérateurs cryogéniques 4 mécaniques et deux réfrigérateurs à dilution. Alternativement ou cumulativement, au moins un des refroidisseurs 4, 40 cryogéniques peut être du type utilisant une source froide de fluide de cycle liquéfié tel que de l’hélium, de l’hydrogène ou de l’azote. C’est-à-dire que le refroidisseur cryogénique 4, 40 est connecté à une source froide située à l’extérieur de l’enceinte 2, cette source froide fournissant un flux de fluide liquéfié, refroidi à l’extérieur de l’enceinte, ce flux circule dans le refroidisseur cryogénique 4, 40 et est mis en échange thermique avec au moins une partie des plateaux 5, 6, 7, 8, 9 dans l’enceinte 2. Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant une enceinte (2) délimitant un volume étanche refermé par un couvercle (3, 13), le dispositif (1) comprenant au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté au travers du couvercle (3, 13) et ayant une première extrémité située à l’extérieur de l’enceinte (2) et une seconde extrémité située dans l’enceinte (2), le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant configuré pour produire du froid au niveau de sa seconde extrémité, le dispositif (1) comprenant un ensemble de plateaux (5, 6, 7, 8, 9) conducteurs thermiques disposés dans l’enceinte (2) formant des étages thermiques refroidis par le refroidisseur (4, 40) cryogénique, le dispositif (1) comprenant un ensemble de passages (10,11) formés au travers du couvercle (3) et des plateaux (5, 6, 7, 8, 9) pour le passage étanche de câble(s) et/ou d’appareillage(s) dans l’enceinte (2), caractérisé en ce qu’au moins une partie du couvercle (3, 13) est composée d’une bride (13) formant un support pour le refroidisseur (4, 40) cryogénique, ladite bride (13) portant le refroidisseur (4, 40) cryogénique étant fixée de façon étanche et démontable par rapport au reste du couvercle (3). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (3) comprend une découpe ou un renfoncement délimitant un orifice (30) dans le couvercle (3) et en ce que, en position fixée de la bride (13) sur le reste du couvercle (3), la bride (13) obture de façon étanche ledit orifice (30). Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la découpe ou le renfoncement dans le couvercle (3) définit un logement conjugué d’au moins une partie de la bride (13), en position fixée, la bride (13) étant emboîtée au moins partiellement dans ledit logement. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bride (13) est fixée au reste du couvercle (3) par un ensemble d’axes (14) de fixation, par exemple des vis. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un joint (22) d’étanchéité interposé entre la bride (13) et le reste du couvercle (3) et/ou au moins un joint (22) interposé entre le refroidisseur (4, 40) cryogénique et la bride (13). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le refroidisseur (4, 40) cryogénique est du type comprenant un circuit de fluide de travail soumis à un cycle de travail et en ce que tout ou partie des composants du circuit de travail sont également montés solidaires de la bride (13). Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’un au moins des composants du circuit de travail suivants sont montés solidaires de la bride (13) : au moins une gaine (15, 16), un système (16) de réfrigération à dilution, un ensemble (17, 21) de tuyauterie pour le fluide de travail, une ensemble de capacité(s) (18) configurée(s) pour stocker du fluide de travail, un organe de pompage (19) du fluide de travail, un organe (20) d’injection de fluide de travail, un ensemble de raccord(s) fluidique(s), un organe de pompage, notamment une pompe à vide, un ensemble de câblage(s) par exemple pour un système de thermométrie et/ou de chauffage, une tresse de liaison thermique, un refroidisseur de type à gaz pulsé, un ou plusieurs interrupteurs thermiques, un ou plusieurs pièges à impureté, un soufflet, un système d’amortissement mécanique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs (4, 40) cryogéniques montés sur des brides (13) support respectives. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif comprend plusieurs refroidisseurs (4, 40) cryogéniques montés sur une même bride (13). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique parmi ; un refroidisseur du type à gaz pulsé, Gifford McMahon, ou Stirling, et/ou au moins parmi : un réfrigérateur du type à dilution, un réfrigérateur de type Joule-Thompson à He3 ou He4, un réfrigérateur à désaimantation adiabatique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un refroidisseur (4, 40) cryogénique monté en partie centrale du couvercle (3) via sa bride (13) et un ensemble de plusieurs passages (10) formés au travers du couvercle (3) et situés en périphérie du au moins un réfrigérateur (4, 40) cryogénique.