La présente invention concerne une installation et un procédé de réfrigération.

L'invention concerne notamment une installation et un procédé de réfrigération à basse température dans lequel un gaz de faible masse molaire (par exemple l'hydrogène ou l'hélium) est utilisé comme fluide réfrigérant pour atteindre des températures de réfrigération très basses (par exemple 4,5 K pour l'hélium). L'obtention d'une réfrigération à des températures de 30 K et plus basses nécessite généralement l'utilisation d'un réfrigérant tel que l'hélium. L'hélium est comprimé à une extrémité chaude d'une boucle ou circuit, puis refroidi et détendu dans la partie froide de la boucle (boîte froide). La majeure partie du réfrigérant est réchauffée par échange et recyclée dans l'étage de compression. Dans certaines applications, une fraction du gaz de travail peut être liquéfiée.

La compression des cycles de liquéfaction/réfrigération hélium utilise généralement un ou plusieurs étages de machines de compression (compresseurs) à vis lubrifiées suivi d'un System de déshuilage.

S'il est nécessaire d'avoir plusieurs réfrigérateurs, chaque réfrigérateur est connecté à sa propre station de compression. En fonction des débits demandés, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs compresseurs en parallèles. Les systèmes de gestion d'huile primaires et de refroidissement peuvent être communs à plusieurs compresseurs ou être dédié à chacun.

Après sa compression et son déshuilage le gaz de faible masse molaire est refroidi et détendu dans des turbines de détente cryogéniques d'une boîte froide pour atteindre le niveau de température requis. Les frigories non utilisées par l'utilisateur du réfrigérateur/liquéfacteur sont ensuite transmises au fluide de travail à haute pression pour le refroidir dans les échangeurs de chaleur. Le gaz de travail à basse et moyenne pression du circuit retourne à l'aspiration des compresseurs.

Pour des systèmes de réfrigération de grande taille, par exemple supérieur à 20kW équivalent à 4.5K il est nécessaire d'utiliser plusieurs réfrigérateurs distincts en parallèle connecté à la même application à refroidir. Les charges thermiques fluctuantes de l'application à refroidir induisent des fluctuations de débit sur les compresseurs de la station de compression. Les coûts de la station de compression (matériel, intégration et installation) sont relativement importants par rapport au coût global de l'installation.

Les cycles de réfrigération (qui génèrent le froid) sont classiquement « fermés » au niveau de chaque réfrigérateur. C'est-à-dire que le débit de cycle de fluide de travail qui entre dans la boite froide ressort en majorité de cette même boite froide. En revanche, ces débits de cycle sont « ouvert » ou combinés au niveau de l'application à refroidir (le débit de fluide de travail fourni par les réfrigérateurs est mutualisé pour l'application à refroidir puis retourne à chaque réfrigérateur par un système de distribution respectif).

Un but de l'invention est de proposer un procédé et une installation de réfrigération d'une application au moyen de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle qui résout tout ou partie des problèmes ci-dessus. En particulier, un but de l'invention peut être de proposer un procédé et une installation de réfrigération moins coûteux et/ou plus compacts et/ou plus efficaces et/ou plus souple d'utilisation que les systèmes connus.

A cette fin, l'installation de réfrigération d'une même application au moyen comprend plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides distinctes respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, l'unique station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, de sorte que les machines de compression et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- l'unique station de compression comprend une pluralité de machines de compression définissant plusieurs niveaux de pression pour le fluide de travail,

- le passage d'un niveau de pression au niveau de pression suivant supérieur est réalisé via une ou plusieurs machines de compression en série ou via plusieurs machines de compression disposées en parallèle,

- le passage d'au moins un niveau de pression au niveau de pression supérieur suivant est réalisé via deux machines de compression disposées en parallèle, un système de déshuilage étant disposé à la sortie des deux machines de compression, le système de déshuilage comprenant soit un organe de déshuilage unique commun aux deux machines de compression disposées en parallèle, soit deux organe de déshuilage affectés respectivement aux deux machines de compression disposées en parallèle,

- l'installation comporte au moins un système de déshuilage final disposé en sortie du dernier un niveau de compression, c'est-à-dire avant une liaison fluidique alimentant en fluide la boîte froide,

- l'installation comprend au moins un échangeur de refroidissement du fluide de travail en aval d'une machine de compression,

- l'installation comprend trois machines de compression définissant trois niveaux de pression croissant au-dessus du niveau de pression du fluide en entrée de la station de compression, une première et une seconde machines de compression étant disposées en série et définissant à leur sortie de fluide respective des niveaux de pression respectivement dit « bas » et « haut », une troisième machine de compression étant alimentée en entrée par du fluide issu des boîtes froides à un niveau de pression dit « moyen » intermédiaire entre les niveaux bas et haut, la troisième machine de compression définissant à sa sortie de fluide également un niveau de pression « haut »,

- l'installation comprend une quatrième machine de compression disposée en parallèle avec la seconde machine de compression, la sortie de quatrième machine de compression étant reliée à l'entrée de la troisième machine de compression,

- les sorties de la troisième machine de compression et de la seconde machine de compression sont reliée à une conduite commune définissant un même niveau haut de pression,

- la sortie de la troisième machine de compression et la sortie de la seconde machine de compression sont reliées à au moins une boîte froide à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts pour le fluide,

Un autre but de l'invention est de proposer une installation de réfrigération d'une même application au moyen d'un seul réfrigérateur/liquéfacteur ou de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, le ou les réfrigérateurs/liquéfacteurs utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides du ou des réfrigérateurs/liquéfacteurs, la station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, et en ce que la station de compression comprend une pluralité de machines de compression définissant plusieurs niveaux de pression pour le fluide de travail, le passage d'un niveau de pression au niveau de pression suivant supérieur est réalisé via une ou plusieurs machines de compression en série ou via plusieurs machines de compression disposées en parallèle, la station de compression comprenant au moins deux machines de compression définissant au moins deux niveaux de pression croissant au-dessus du niveau de pression du fluide en entrée de la station de compression, deux machines de compression principales étant disposées en série et définissant à leur sortie de fluide respective des niveaux de pression respectivement dit « bas » et « haut », une autre machine de compression secondaire étant alimentée en entrée par du fluide issu des boîtes froides à un niveau de pression dit « moyen » intermédiaire entre les niveaux bas et haut, cette machine de compression secondaire définissant à sa sortie de fluide également un niveau de pression « haut ».

Selon d'autres particularités possibles

- les sorties de la machine de compression secondaire et de la machine de compression principale sont reliée à une conduite commune définissant un même niveau haut de pression,

- les sorties de la machine de compression secondaire et de la machine de compression principale sont reliées à au moins une boîte froide à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts pour le fluide,

L'invention concerne également un procédé de réfrigération d'une même application au moyen d'une installation de réfrigération et/ou liquéfaction comprenant plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide respective destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par les boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de lui céder des frigories, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune boîtes froides distinctes des réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, l'unique station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, de sorte que les machines de compression et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.

Selon s'autres particularités possibles :

- lorsque la charge thermique de l'application à refroidir varie, les variations puissance de l'installation sont réalisées par en variant le régime d'une partie seulement des machines de compression de la station de compression commune,

- l'application refroidie par les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle est disposée dans une même enceinte et comprend des éléments supraconducteurs à refroidir.

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 de façon simplifiée la structure et le fonctionnement d'une l'installation selon l'invention,

- la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation selon l'invention,

- la figure 3 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un second exemple de réalisation selon l'invention,

- la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un troisième exemple de réalisation selon l'invention.

L'installation de réfrigération représentée schématiquement à la figure 1 comprend plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle qui refroidissement la même entité physique (c'est-à-dire la même application 1 ).

Les réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle utilisent un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur par exemple. Chaque réfrigérateur/1 iquéfacteur (L/R) utilise une station 2 de compression du gaz de travail et une boîte froide 3 destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station 2 de compression. Le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes 3 froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) est mis en échange thermique, via un circuit 1 1 de distribution, avec l'application 1 en vue de céder des frigories à cette dernière.

Selon une particularité avantageuse, une unique station de compression 2 assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides 3 respectives distinctes des réfrigérateurs/liquéfacteurs L/R disposés en parallèle.

La station 2 de compression 2 peut être reliée le cas échéant à un stockage

12 tampon dit « chaud » de fluide de travail. Selon une autre particularité avantageuse, l'unique station 2 de compression comprend des machines de compression uniquement du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression. De cette façon, les machines de compression (compresseurs à vis lubrifiées) et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.

Cette configuration permet de limiter le nombre de machines et équipements nécessaires à la compression du fluide de travail.

Ceci permet également de concentrer les variations de charge sur un nombre limité de compresseurs avec des moyens de régulation adaptés (par exemple des variateurs de fréquence, des vannes de réglage, ...).

De plus, ceci permet également le cas échéant de regrouper des stations de compressions par type de compresseur ou par fonction (cycle de réfrigération et/ou alimentation client) plutôt que par cycles de réfrigérations.

L'architecture permet également le cas échéant de prévoir différentes pressions de cycle du fluide par fonction ou par station de compression.

La figure 2 illustre un premier exemple de réalisation possible selon l'invention. Comme visible à la figure 2, l'unique station 2 de compression commune comprend une pluralité de machines de compression EC1 , EC2, EC3 définissant plusieurs niveaux VLP, LP, MP, HP, HP1 , HP2 de pression pour le fluide de travail.

En entrée, de la station de compression 2, le fluide issu d'une ou de plusieurs boîtes froides 3 arrive à une pression dite « très basse » (VLP). Cette pression de niveau très bas dépend de l'application 1 et ce niveau de pression très bas peut ne pas être présent pour certaines applications (c'est-à-dire que le premier niveau de pression dans la station de compression est dit « bas » c'est-à- dire compris dans l'intervalle ci-après mentionné). Une première machine de compression EC1 assure un montée en pression du fluide de travail jusqu'à une pression dite « basse » LP qui est supérieure à la pression très basse VLP. En sortie de cette première machine de compression EC1 , le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. La sortie de la première machine de compression EC1 est reliée ensuite à l'entrée d'une seconde machine de compression EC2 qui compresse le fluide de la pression base LP à une pression haute HP. L'entrée de cette seconde machine de compression EC2 reçoit également du fluide à ce niveau de pression basse LP issu des boîtes froides 3. Comme précédemment, en sortie de cette seconde machine de compression EC2, le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. Avant de retourner dans les boîtes froides 3, le fluide peut subir un dernier déshuilage plus sélectif dans un système de déshuilage final 14. Une troisième machine de compression EC3 est disposée dans la station 2 de compression. Cette troisième machine de compression EC3 est alimentée en entrée par du fluide des boîtes 3 à un niveau de pression dit « moyen » MP intermédiaire entre les niveaux bas LP et haut HP. Cette troisième machine de compression EC3 définit également à sa sortie de fluide un niveau de pression « haut » HP pour le fluide de travail. En sortie de cette seconde machine de compression EC2, le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. Le fluide de travail à haute pression est injecté en amont du système de déshuilage final 14 (une conduite vient se raccorder à la sortie de la seconde machine de compression EC2.

Cette solution combine donc plusieurs machines de compression à vis lubrifiées entre la basse pression LP et la haute pression HP et possède en plus un niveau de compression entre la pression intermédiaire MP et la même haute pression HP.

Cette configuration présente l'avantage de réduire la taille des systèmes 4 primaires de gestion d'huile (systèmes de déshuilage 4 avant le déshuilage final 14) en particulier sur la partie du cycle entre la pression basse LP et la pression haute HP. Cette architecture permet également simultanément de conserver une flexibilité sur les variations de débit et de pression possibles au sein de cette partie du circuit (en particulier entre la pression moyenne MP et la haute pression HP).

En revanche cette solution est moins souple en ce qui concerne la possibilité de faire varier le débit de fluide de travail dans la basse pression LP car les machines de compression combinées sont interdépendantes et les fluctuations sont plus difficilement contrôlables.

Chacun des étages de compression réalisés par une machine de compression peut bien entendu être remplacé par deux compresseurs (ou plus) disposés en parallèle. En effet, en fonction des débits de fluide de travail nécessaires, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs compresseurs disposés en parallèles. Dans ce cas, les systèmes de gestion d'huile primaire (déshuilage) et de refroidissement peuvent être communs à plusieurs compresseurs ou être dédié à chacun.

En fonction du niveau de pression très bas VLP et du taux de compression de la première machine de compression EC1 , la sortie de la première machine de compression EC1 peut également être relié à l'entrée de la troisième machine de compression EC3 à un niveau de pression dit « moyen » MP. Le reste de l'architecture restant similaire.

La variante de la figure 3 se distingue de celle de la figure 1 uniquement en ce que l'installation comprend une quatrième machine de compression EC12 disposée en parallèle avec la seconde EC2 machine de compression. De la même façon que pour la seconde machine de compression EC2, l'entrée de fluide de la quatrième machine de compression EC12 est reliée à la fois à la sortie de la première machine de compression EC1 et à une arrivée de fluide à cette basse pression des boîtes froides 3. La sortie de la quatrième machine de compression EC12 est quant à elle reliée à l'entrée de la troisième machine de compression EC3 (l'entrée de la troisième machine de compression EC3 reçoit également du fluide à la pression moyenne MP des boîtes froides).

Comme précédemment, les second EC2 et quatrième EC4 machines de compression en parallèle peuvent avoir chacune à leur sortie, un système de déshuilage 4 dédié et un échangeur de chaleur 5 dédié. En variante ces systèmes de déshuilage 4 et échangeur de chaleur 5 peuvent être communs et donc partagés.

Comme précédemment, en fonction des débits de fluide de travail requis, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs machines (compresseurs) disposées en parallèles.

Comme précédemment également, cette solution combine plusieurs compresseurs entre la basse pression LP et la haute pression HP et prévoit en plus un niveau de compression entre la pression intermédiaire MP et la même haute pression HP.

Dans le cas de la figure 3 cependant, une partie du débit de fluide de travail à basse pression LP passe dans des machines de compression EC12 qui compriment le fluide uniquement vers la pression intermédiaire MP.

Ces dernières machines de compression EC12 peuvent être équipées de variateurs de vitesse afin de réagir à des variations de débit de fluide à basse pression. La recirculation de fluide entre les basses pressions LP et pression moyenne MP est également possible pour réagir aux variations de charge.

Le ou les compresseurs EC2 combinés entre la basse pression LP et la haute pression HP peuvent fonctionner avec un débit constant et de manière indépendante aux fluctuations de la charge (application 1 ) et du cycle de travail. Les fluctuations de débits et de pressions sont absorbées par le groupe de compresseurs EC1 , EC3, EC12 entre la pression très basse d'entrée VLP jusqu'aux niveaux supérieurs (LP->MP->HP).

La variante de la figure 4 se distingue de celle de la figure 3 uniquement en ce que les sorties de la troisième machine de compression EC3 et de la seconde EC2 machine de compression sont reliée à au moins une boîte froide 3 à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts HP1 , HP2 pour le fluide. De plus, à la figure 4, la conduite comprenant la quatrième machine de compression EC12 et ses organes aval (déshuileur 4 et échangeur de chaleur 5) a été représentée en pointillés (pour bien mettre en évidence son caractère facultatif).

Dans cette configuration de la figure 4, chaque sortie haute pression HP1 , HP2 des troisième EC3 et seconds EC2 machines de compression comprend, en aval d'un échangeur 5 de chaleur respectif, un organe de déshuilage final 14 respectif. Deux systèmes de déshuilage finaux 14 sont en effet indispensables du fait de la différence de pression entre les deux lignes.

Comme précédemment, une partie du débit de fluide à basse pression LP est comprimée directement à une pression haute HP2. Dans cette configuration de la figure 4, cette pression haute HP2 est indépendante de la pression haute HP1 obtenue en sortie des compresseurs qui compriment entre la pression moyenne MP et la pression haute HP1 .

Cette architecture permet également d'optimiser les tailles et les efficacités des différents types de compresseurs des différents étages de compression.

Les variations de débit et de pression du fluide sur les circuits aboutissant respectivement aux deux niveaux de pression haute HP1 et HP2 peuvent donc également être gérées de manière plus indépendante.

Le circuit comprenant un étage de compression entre la pression moyenne MP et à pression haute HP1 alimente en général la majorité des turbines de détentes du cycle des boîtes froides 3 qui sont la source de réfrigération du système. Une variation de ce cycle permet donc une variation directe de la puissance de réfrigération des réfrigérateurs/liquéfacteurs L/R.

En revanche, le circuit de fluide à haute pression HP2 issu de la seconde machine de compression EC2 peut être utilisé préférentiellement pour une alimentation d'une application 1 et/ou d'un circuit de détente d'un refroidissement de type Joule-Thompson au bout froid du cycle.

L'invention peut s'appliquer notamment à toute unité de réfrigération/liquéfaction de grande capacité de liquéfaction ou de réfrigération utilisant de l'hélium ou un gaz rare.

A titre d'exemple non limitatif (circuit avec trois étages de compression mais définissant quatre niveaux de pression), les niveaux de pression respectifs très bas VLP, bas LP, moyen MP et haut HP des étages de compression ainsi que les taux de compression et débits correspondants du gaz travail peuvent être compris dans les intervalles ci-dessous.

Les architectures des stations de compression des exemples illustrés peuvent s'appliquer avantageusement également à une installation utilisant un seul liquéfacteur/réfrigérateur (et non pas plusieurs en parallèle).