Brevet FR3140417A1 — publié le 20240405

L’invention concerne un dispositif de réfrigération comprenant un circuit pour un fluide de travail et comprenant un mécanisme (3) de compression du fluide de travail avec au moins un compresseur, un mécanisme (4, 7) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (6) de détente du fluide de travail avec au moins une turbine (6) de détente et un mécanisme (7) de réchauffement du fluide de travail, le dispositif (1) comprenant un échangeur (7) de chaleur destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe ou fluide (8) par échange de chaleur avec le fluide de travail, le dispositif comprenant une boîte (9) froide isolée abritant l’échangeur (7) de chaleur et la au moins une turbine (6), la boîte (9) froide ayant une forme cylindrique s’étendant selon une direction longitudinale autour d’un axe (10) central, la au moins une turbine (6) étant disposée dans la boîte (9) froide à proximité d’une première extrémité longitudinale de la boîte (9) froide, entre l’échangeur (7) de chaleur de réfrigération et la paroi (11) d’extrémité longitudinale de la boîte (9) froide et décalée transversalement par rapport à l’axe (10) longitudinal central de la boîte (9) froide. Figure d’abrégé : Fig. 1 Dispositif de réfrigération à basse température L’invention concerne un dispositif de réfrigération à basse température. L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif de réfrigération comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un mécanisme de compression du fluide de travail comprenant au moins un compresseur, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins une turbine de détente et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le circuit de travail étant configuré pour soumettre le fluide de travail à cycle thermodynamique déterminé dans lequel le fluide de travail atteint une température relativement basse au niveau d’une extrémité froide du cycle, le dispositif comprenant un échangeur de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe ou fluide par échange de chaleur avec le fluide de travail, le dispositif comprenant une boîte froide isolée thermiquement abritant l’échangeur de chaleur de réfrigération et la au moins une turbine de détente, la boîte froide ayant une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction longitudinale autour d’un axe central, ledit axe étant de préférence horizontal en configuration d’utilisation, la au moins une turbine étant disposée dans la boîte (9) froide à proximité d’une première extrémité longitudinale de la boîte froide, la au moins une turbine étant montée longitudinalement dans la boîte froide entre l’échangeur de chaleur de réfrigération et la paroi d’extrémité longitudinale de la boîte froide. L’invention concerne en particulier les réfrigérateurs ou liquéfacteurs cryogéniques comprenant des turbomachines utilisant des turbines cryogéniques. Ces réfrigérateurs possèdent également des échangeurs de chaleur de refroidissement et/ou de réchauffement inter-étages de détente et une enceinte cryogénique appelée boîte froide (et isolée thermiquement, par exemple sous vide). Ces réfrigérateurs sont montés sur une structure et un problème consiste à maximiser le ratio entre la capacité du système (et donc le nombre de composants) et ses dimensions en largeur et hauteur. Cette optimisation permet soit d’augmenter la capacité du système en restant dans un gabarit de transport fixé, soit de minimiser les dimensions par rapport à une capacité fixée. Une autre contrainte consiste à réaliser un assemblage fiable qui ne nécessite pas de soudure sur le site de destination du réfrigérateur. Dans un mode de réalisation connu, les turbines sont montées sur le côté de la boîte froide. Ceci permet de monter un grand nombre de turbine en découplant la fabrication des turbines et de la boîte froide. Les échangeurs de chaleur sont installés à proximité des turbines, sans limitation de taille. Cette solution a cependant l’inconvénient que les turbines dépassent du gabarit de transport. Les turbines sont donc transportées séparément et raccordées (soudées) sur site de destination. Les échangeurs sont soit directement montés sur les turbines, soit sur un support séparé. Cette solution nécessite du temps et des coûts additionnels d’assemblage après la fabrication. Une autre solution consiste à implanter des équipements et notamment les turbines sur le dessus de la boîte froide. Cette solution n’est cependant pas adaptée pour des turbines de forte puissance qui nécessitent des échangeurs installés sur un support séparé. Ceci nécessite d’installer les tuyauteries de raccordement sur site. Une autre solution consiste monter une unique turbine sur le fond de la boîte froide au niveau de l’axe central de révolution. L’échangeur de chaleur de la turbine et celui du compresseur peuvent être fusionnés en un seul équipement. Dans le cas d’un réfrigérateur produisant des températures très basses il est cependant nécessaire de prévoir un étagement de plusieurs turbines. L’échangeur de chaleur est installé à côté de l’enceinte sous vide, ce qui dégrade le ratio capacité/dimensions lorsqu’il y a plusieurs échangeurs de chaleurs et/ou si le diamètre de l’échangeur augmente. 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 selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la au moins une turbine est montée décalée transversalement par rapport à l’axe longitudinal central de la boîte froide. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la au moins une turbine est montée à l’extrémité d’un arbre d’un moteur entraînant également un compresseur du mécanisme de compression, le moteur étant situé à l’extérieur de la boîte froide, l’extrémité de l’arbre portant la turbine étant montée traversante de façon étanche au travers de la paroi d’extrémité de la boîte froide, l’extrémité de l’arbre portant la turbine est montée traversante de façon étanche au travers de la paroi d’extrémité de la boîte froide via un raccord tubulaire de piquage monté en saillie sur la surface extérieure de la paroi d’extrémité longitudinale de la boîte froide, la paroi d’extrémité longitudinale de la boîte froide a une forme bombée vers l’extérieur de la boîte froide, le dispositif comprend au moins une turbine supplémentaire disposée dans la boîte froide à proximité d’une seconde extrémité longitudinale de la boîte froide, la au moins une turbine supplémentaire étant montée longitudinalement dans la boîte froide entre l’échangeur de chaleur de réfrigération et la paroi d’extrémité de la seconde extrémité longitudinale de la boîte froide, de façon décalée transversalement par rapport à l’axe longitudinal central de la boîte froide, le dispositif est disposé dans et/ou sur un support, le circuit de travail comprend au moins un échangeur de chaleur situé à l’extérieur de la boîte froide faisant partie du mécanisme de refroidissement du fluide de travail, ledit au moins un échangeur de chaleur étant monté dans et/ou sur le support dans un plan perpendiculaire à la direction longitudinale, le dispositif comprend plusieurs échangeurs de chaleur situés à l’extérieur de la boîte froide faisant partie du mécanisme de refroidissement du fluide de travail, lesdits échangeurs de chaleur étant montés dans et/ou sur le support dans des plans respectifs perpendiculaires à la direction longitudinale, le support comprend au moins l’un parmi : un ensemble de pied(s) de support de la boîte froide, un cadre, le support est composé de plusieurs structures assemblées selon la direction longitudinale. 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 : Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : est une vue schématique, partielle et de dessus d’un dispositif de réfrigération selon un premier exemple de réalisation, est une vue schématique, partielle et de côté du dispositif de la ; une vue schématique simplifiée d’un détail du dispositif de la symbolisant le circuit de travail, est une vue schématique, simplifiée et partielle, en perspective et de dessus d’un dispositif de réfrigération selon un autre exemple de réalisation. Description détaillée Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations dans le cadre des revendications. Le dispositif 1 de réfrigération à basse température illustré est par exemple un réfrigérateur cryogénique, c'est-à-dire produisant une puissance froide en refroidissant/liquéfiant un fluide de travail une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade. Le dispositif 1 de réfrigération est de préférence au moins en partie disposé (monté) dans et/ou sur un support 100 rigide. Le dispositif 1 de réfrigération comprend un circuit de travail 2 formant une boucle et contenant un fluide de travail (par exemple au moins l’un parmi : hélium, azote, argon, néon, hydrogène). Comme illustré également à la , le circuit 2 de travail comprend, disposés en série, un mécanisme 3 de compression du fluide de travail comprenant au moins un compresseur, un mécanisme 4, 7 de refroidissement du fluide de travail (échangeur(s) de chaleur par exemple), un mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins une turbine 6 de détente et un mécanisme 7 de réchauffement du fluide de travail. Le circuit 2 de travail est configuré pour soumettre le fluide de travail à cycle thermodynamique déterminé dans lequel le fluide de travail atteint au moins une température relativement basse au niveau d’une extrémité froide du cycle. Les compresseurs 3 sont de préférence entraînés en rotation par un ou des moteurs 13 électriques (par exemple montés sur l’arbre 12 rotatif du moteur 13). De préférence, au moins une partie des turbines 6 est accouplée également au même arbre 12 rotatif entraînant un ou des compresseurs 3 pour lui restituer du travail mécanique (moto-turbo-compresseur). Le dispositif 1 comprend un ou des échangeurs 7 de chaleur de réfrigération destiné(s) à extraire de la chaleur à au moins un organe 8 ou fluide par échange de chaleur avec le fluide de travail au niveau de l’extrémité froide du cycle. Comme illustré, l’échangeur 7 de chaleur de réfrigération peut assurer un échange de chaleur entre le fluide de travail après sa détente dans le circuit de travail (avant son retour vers le mécanisme de compression) et un fluide 8 utilisateur à refroidir. Le ou les échangeurs 7 peuvent assurer à la fois un refroidissement et un réchauffage du fluide de travail dans le cycle via un échange à contre-courant. Typiquement, un fluide 8 à refroidir peut être mis en échange thermique avec le fluide de travail à plusieurs niveaux de température entre la température ambiante et température la plus froide de l’extrémité froide du cycle. Le mécanisme de détente comprend au moins une turbine 6 de détente et de préférence plusieurs turbines 6 de détente. Le dispositif 1 comprend une boîte 9 froide c’est-à-dire une enceinte isolée thermiquement (par exemple sous vide) abritant au moins une partie des composants cryogéniques du circuit 2 de travail et en particulier l’échangeur 7 de chaleur de réfrigération et la au moins une turbine 6 de détente et les parties correspondantes du circuit 2 de travail. Comme illustré, la boîte 9 froide a une forme générale cylindrique qui s’étend en configuration d’utilisation de préférence selon une direction longitudinale horizontale autour axe 10 central de révolution. Par exemple, la boîte 9 froide possède un corps cylindrique, de préférence de section circulaire, dont les deux extrémité longitudinales (ou fonds) sont bombées, par exemple de forme générale elliptique. Au moins une turbine 6 et, comme illustré, de préférence plusieurs turbines 6 sont montées dans la boîte 9 froide à proximité d’une première extrémité longitudinale de la boîte 9 froide. C’est-à-dire que la ou les turbines 6 sont montées longitudinalement dans la boîte 9 froide entre l’échangeur 7 de chaleur de réfrigération et la paroi 11 d’extrémité longitudinale de la boîte 9 froide. Comme illustré la turbine 6 ou plusieurs turbines 6 sont montées de façon décalée transversalement par rapport à l’axe 10 longitudinal central de la boîte 9 froide. C’est-à-dire qu’une ou plusieurs turbines 6 ne sont pas montées au centre de la paroi 11 d’extrémité sur l’axe 10 longitudinal central de révolution de la boîte 9 froide mais de façon décalée transversalement et/ou verticalement. Cette configuration permet d’implanter plusieurs turbines 6 sur une même boîte 9 froide, même des turbines 6 de taille relativement importante, tout en limitant l’encombrement du dispositif 1 (hauteur et largeur notamment). Dans l’exemple des , et le dispositif 1 comprend, montées sur une même extrémité longitudinale de la boîte 9 froide, deux turbines 6. Les deux turbines 6 sont montées de part et d’autre de l’axe 10 longitudinal central, par exemple à mi-hauteur de la boîte 9 froide ou dans la partie supérieure de la boîte froide. Bien entendu, cette exemple n’est nullement limitatif, une ou des turbines 6 pourraient être montées au niveau de la partie inférieure de la paroi 11 d’extrémité. De même, une seule ou plus de deux turbines 6 pourraient être montées au niveau d’une paroi 11 d’extrémité. Par exemple, quatre turbines 6 peuvent être montées sur une même paroi 11 d’extrémité (fond). Par exemple deux turbines 6 en partie inférieure de la paroi 11 (en dessous et de part et d’autre de l’axe 10 longitudinal central) et deux turbines 6 en partie supérieure de la paroi 11 (au-dessus et de part et d’autre de l’axe 10 longitudinal central). Comme schématisé à la , des turbines 6 peuvent être montées au niveau des deux extrémités longitudinales de la boîte 9 froide. Le dispositif 1 peut comporter ainsi quatre turbines 6 réparties deux de chaque côté longitudinal de la boîte 9 froide. Ceci permet d’augmenter le nombre de machines (turbines 6) du dispositif et/ou permet de réduire les contraintes mécaniques imposées sur chacune des deux parois 11 d’extrémités. Comme illustré, les turbines 6 peuvent être montées à l’extrémité d’un arbre 12 d’un moteur 13 entraînant également un compresseur du mécanisme 3 de compression. Les moteurs 13 sont situés à l’extérieur de la boîte 9 froide et montés de préférence sur la structure du support 100. Ces moteurs 13 peuvent être raccordées par boulonnage au support rigide. Ceci permet de rattraper les efforts, en particulier sans affaiblir la boîte 9 froide au travers de laquelle sont montées les turbines 6 tel que décrit ci-après. Comme illustré, l’extrémité de l’arbre 12 portant la turbine 6 peut être montée traversant de façon étanche au travers de la paroi 11 d’extrémité de la boîte 9 froide via un raccord 14 tubulaire de piquage monté en saillie sur la surface extérieure de la paroi 11 d’extrémité longitudinale de la boîte 9 froide. Le raccord 14 tubulaire de piquage est ainsi désaxé (pas sur l’axe 10 longitudinal central). Le raccord 14 tubulaire assure une liaison mécanique (par exemple par soudage) avec la surface elliptique de la paroi 11 d’extrémité. A cet effet les épaisseurs peuvent être adaptées localement et/ou des renforts peuvent être prévus par exemple au niveau des raccords 14. Comme illustré, le circuit 2 de travail comprend au moins un échangeur de chaleur 4 et de préférence plusieurs échangeurs 4 de chaleur non cryogéniques situés à l’extérieur de la boîte 9 froide faisant partie du mécanisme 4, 7 de refroidissement du fluide de travail et/ou du mécanisme 7 de réchauffement du fluide de travail. Les échangeur 4 de chaleur sont par exemple de forme générale plane ou oblongue et montés dans et/ou le support 100 de préférence dans des plans respectifs perpendiculaires à la direction longitudinale (axe central 10). A moins une partie de ces échangeurs 4 de chaleur peut assurer un échange thermique entre le gaz de travail et un fluide 15, par exemple de l’eau, pour assurer un refroidissement après une compression. Un échangeur 7 à contre-courant peut également assurer un échange de chaleur entre deux flux du gaz de travail ayant des températures différentes. Ceci améliore la compacité du dispositif 1 (optimisation du coût et de l’empreinte au sol du système complet). Comme schématisé à la , les échangeurs de chaleur 4 situés à l’extérieur de la boîte 9 froide peuvent être répartis de part et d’autre de la boîte 9 froide (selon la direction longitudinale). Comme illustré, le support 100 peut être composé d’une structure ou cadre 102 comprenant des poutres assemblées et montée sur pieds 101. Le support 100 peut être une entité composée de plusieurs sous-structures assemblées selon la direction longitudinale. Les ensembles moteurs 13 avec turbines 6 peuvent être disposées selon l’axe longitudinal, sur la même structure ou sur une structure séparée. La structure décrite ci-dessus présente une bonne tenue mécanique et une grande compacité. Cette structure peut en particulier être modulaire (selon le nombre de turbines 6 et/ou d’échangeurs 4 de chaleur à prévoir. Plusieurs équipements peuvent être installés dans un même plan (vertical). Et une ou plusieurs structures supportant ces éléments peuvent être prévu au niveau du support 100. Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif (1) de réfrigération comprenant un circuit de travail (2) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit (2) de travail comprenant un mécanisme (3) de compression du fluide de travail comprenant au moins un compresseur, un mécanisme (4, 7) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (6) de détente du fluide de travail comprenant au moins une turbine (6) de détente et un mécanisme (7) de réchauffement du fluide de travail, le circuit (2) de travail étant configuré pour soumettre le fluide de travail à cycle thermodynamique déterminé dans lequel le fluide de travail atteint une température relativement basse au niveau d’une extrémité froide du cycle, le dispositif (1) comprenant un échangeur (7) de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe ou fluide (8) par échange de chaleur avec le fluide de travail, le dispositif comprenant une boîte (9) froide isolée thermiquement abritant l’échangeur (7) de chaleur de réfrigération et la au moins une turbine (6) de détente, la boîte (9) froide ayant une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction longitudinale autour d’un axe (10) central, ledit axe (10) étant de préférence horizontal en configuration d’utilisation, la au moins une turbine (6) étant disposée dans la boîte (9) froide à proximité d’une première extrémité longitudinale de la boîte (9) froide, la au moins une turbine (6) étant montée longitudinalement dans la boîte (9) froide entre l’échangeur (7) de chaleur de réfrigération et la paroi (11) d’extrémité longitudinale de la boîte (9) froide, caractérisé en ce que la au moins une turbine (6) est montée décalée transversalement par rapport à l’axe (10) longitudinal central de la boîte (9) froide. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la au moins une turbine (6) est montée à l’extrémité d’un arbre (12) d’un moteur (13) entraînant également un compresseur du mécanisme (3) de compression, le moteur (13) étant situé à l’extérieur de la boîte (9) froide, l’extrémité de l’arbre (12) portant la turbine (6) étant montée traversante de façon étanche au travers de la paroi (11) d’extrémité de la boîte (9) froide. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’extrémité de l’arbre (12) portant la turbine (6) est montée traversante de façon étanche au travers de la paroi (11) d’extrémité de la boîte (9) froide via un raccord (14) tubulaire de piquage monté en saillie sur la surface extérieure de la paroi (11) d’extrémité longitudinale de la boîte (9) froide. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi (11) d’extrémité longitudinale de la boîte (9) froide a une forme bombée vers l’extérieur de la boîte (9) froide. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une turbine (6) supplémentaire disposée dans la boîte (9) froide à proximité d’une seconde extrémité longitudinale de la boîte (9) froide, la au moins une turbine supplémentaire (6) étant montée longitudinalement dans la boîte (9) froide entre l’échangeur (7) de chaleur de réfrigération et la paroi d’extrémité de la seconde extrémité longitudinale de la boîte (9) froide, de façon décalée transversalement par rapport à l’axe (10) longitudinal central de la boîte froide. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est disposé dans et/ou sur un support (100). Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit (2) de travail comprend au moins un échangeur de chaleur (4) situé à l’extérieur de la boîte (9) froide faisant partie du mécanisme (4) de refroidissement du fluide de travail, ledit au moins un échangeur (4) de chaleur étant monté dans et/ou sur le support (100) dans un plan perpendiculaire à la direction (10) longitudinale. Dispositif selon revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs échangeurs de chaleur (4) situés à l’extérieur de la boîte (9) froide faisant partie du mécanisme (4) de refroidissement du fluide de travail, lesdits échangeurs (4) de chaleur étant montés dans et/ou sur le support (100) dans des plans respectifs perpendiculaires à la direction (10) longitudinale. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le support (100) comprend au moins l’un parmi : un ensemble de pied(s) (102) de support de la boîte (13) froide, un cadre (102). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le support (100) est composé de plusieurs structures assemblées selon la direction longitudinale.