Brevet FR2005111A1 — publié le 19691205

La présente invention s'applique aux bouteilles cryogéniques telles que celles qui sont utilisées pour conserver des gaz liquéfiés, de l'hélium par exemple. L'invention a pour objet de réaliser une bouteille ou récipient léger, de structure intérieure suffisamment solide pour pouvoir être manipulé sans surcharger ses parties constituantes et qui est efficace thermiquement. La bouteille conforme d l'invention est du type dans lequel un récipient interne contenant le liquide est logé dans un autre récipient, ltespace entre ces vaisseaux étant- éva- cué. On a proposé d'établir dans ces récipients, entre les éléments, intérieur et extérieur, un écran contre le rayonnement et dans certaines propositions cet écran comprend un échangeur de chaleur pour le maintenir à une basse température. L'une de ces propositions, non publiée avant la date de priorité de la présente demande de brevet, concernait un récipient pour gaz et liquide, maintenu sous pression par un dispositif à soupape et un écran contre le rayonnement pourvu d'une tuyauterie d'échange de chaleur sur la plus grande partie de sa surface, cette tuyauterie étant normalement sous pression. Cette proposition avait cependant pour objet d'empêcher les oscillations thermiques qui étaient associées avec cette pression dans la conduite. Pour l'établissement pratique des bouteilles en question, il se présente des difficultés si le récipient principal est maintenu à une pression supérieure 9 la pression atmos phérique. Ce récipient (pour citer un exemple de difficulté) doit être fait pour pouvoir supporter non seulement une pression de décharge choisie mais une pression plus élevée pour bénéficier d'une marge de sécurité ; il est bien plus facile d'employer un récipient dans lequel la pression atmosphérique est toujours appliquée, et qui sera de ce fait également plus léger. Si un tel récipient est alors mis sous pression, lorsque le liquide doit être versé, la pression doit d'abord être abaissée et cela peut entratner des difficultés de fonctionnement très importantes, telles qu'un blocage solide dG àun refroidissement excessif, etc. Si d'autre part, le liquide est évacué par un syphonage, il peut être nécessaire de prévoir une vitesse contrôlée d'introduction de chaleur latente. Un autre problème se pose également. Si le réci pient qui, pour des raisons pratiques est fait d'acier inoxydable, doit être enfermé dans un récipient extérieur, il devient opportun de faire le récipient extérieur en un alliage léger. Un autre problème de construction se pose alors à cet égard qui consiste à réaliser un récipient intérieur en acier inoxydable, un écran contre la chaleur (en cuivre par exemple) et un récipient extérieur fait en un alliage léger, puis des joints métal contre métal susceptible de maintenir un vide très élevé. L'invention comprend des caractéristiques qui satisfont à ces exigences. En particulier, un problème pratique surgit : un récipient intérieur relativement lourd doit être supporté par un récipient extérieur relativement léger, lten- semble doit pouvoir être transporté, manipulé pour atre vidé sans montrer aucune faiblesse de structure. On a constaté, comme cela apparaît dans la présente invention, que la plus grande efficacité peut être obtenue avec une bouteille cryogénique qui est construite de façon à comporter un récipient intérieur, fait par exemple en acier inoxydable, avec un col pour le vidage et le remplissage ayant des dimensions relativement faibles en section transversale, un écran contre la chaleur supporté par le col du récipient et ayant une haute conductivité thermique, et une enveloppe extérieure qui peut être faite en un alliage léger, l'espace entre le récipient intérieur et l'enveloppe extérieure contenant un super isolant et étant évacué, le joint entre les récipients intérieur et extérieur, étant tel qu'il maintient un vide élevé malgré l'inconpatibilité physique des métaux ; dans cette construction, le support principal constitué par l'écran contre la chaleur et le col, qui forme un parcours virtuellement conducteur de chaleur, est refroidi par un échangeur de chaleur qui fait partie d'un évent reliant le récipient intérieur avec l'atmosphère. On notera qu'au point de vue physique, la situation est tout à fait différente de diverses propositions précédentes du fait que l'enlèvement de chaleur dans le passage conducteur entre l'écran et le récipient intérieur est une Jonction directe du gaz évaporé à l'intérieur du récipient interne. Le fait est que la capacité thermique de ce gaz est une jonction de la quantité de chaleur reçue par le contenu liquide du récipient intérieur. I1 résulte de l'invention que, lorsqu'une certaine quantité de chaleur (aussi faible soit elle), atteint le contenu liquide, cette quantité se traduit par une quantité proportionnelle de gaz qui est évaporée en raison de cette entrée de chaleur, et cette quantité évaporée est disponible pour extraire de la chaleur de l'écran avant que celle-ci ne puisse atteindre le récipient intérieurs En conséquence, sans aucun contrôle par soupape, et ans probleme de pression, lilnvention réalise une bouteille qui possède un très grand rendement thermique. Dans la présente description, le terme "bouteille" ests bien entendu, destiné à englober des récipients ou vases de conservation même de grandes dimensions0 Conformément R lelaventionS la bouteille cryogénique comprend un récipient intérieur supporté par une enveloppe extérieure dont il est espacé, ltespace entre ces deux récipients étant fermé rmetiquement pour pouvoir être évacué d'air, an écran contre le rayonnement entourant le récipient intérieur à quelque distance et-supporté par celui-ci et disposé a l'intérieur et à distance de l'enveloppe, un passage de ventilation ou évent par lequel le gaz peut s'échapper du récipient dans i'atmosphères ledit passage contenant un échangeur de chaleur pour enlever la chaleur des moyens de support grâce auxquels le récipient supporte principalement l'écran. L'échangeur de chaleur comprend de préférence une conduite en matière thermiquement conductive formant - un premier serpentin autour du col tubulaire du récipient et un second serpentin en contact et thermiquement étroit avec une parte en forme de col de l'écran qui entoure le col du récipient et sert de support à l'écran. Une bouteille conforme à l'invention et ayant les carattéristiques précédentes peut avoir un récipient en acier inoxydable avec un col, une enveloppe faite en un alliage léger et un écran de haute conductivité thermique. On peut également disposer un matériau superisolant dans l'espace évacué entre l'enveloppe et le récipient. D'autres détails faisant également partie dans l'invention seront mieux compris à la lecture de la description ci-après. En fonctionnement, le gaz évaporé du récipient passe tout d'abord, 8 sa sortie, à travers un premier petit échangeur de chaleur qui entoure le col à son émergence du récipient. On peut voir que cette disposition fournit une situation optimale pour l'échangeur de chaleur, la chaleur qui est dépensée dans 11 écran à partir de l'enveloppe extérieure est conduite par l'écran lui-m8me qui est fait, par exemple, en aluminium ou en cuivre jusqu'au prolongement qui entoure le col et est supporté par lui, cette chaleur étant ensuite enlevée par le gaz froid s'écoulant vers l'extérieur par le second échangeur de chaleur. La chaleur qui pourrait se propager vers l'intérieur le long du col est entraînée à ltextérieur par le premier échangeur de chaleur. Des récipients thermiques précédemment connus étaient pourvus, dans l'espace évacué, d'écrans feuilletés constitués par une feuille de matière plastique réfléchissante métallisée et dénommée "superisolant". L'écran de rayonnement est dans le cas présent, disposé, dans l'enveloppe en un point opposé au col, sur une tige ou languette qui fait saillie sur l'écran et est empêchée de se déplacer latéralement par un enroulement fait d'un matériau d'isolation thermique en feuille. Le choix des matériaux dans le mode de construction ci-dessus peut être grand. Le récipient lui-même est fait, de préférence en acier inoxydable mince et son col, fait du même métal, lui est réuni par une soudure. L'enveloppe extérieure est en aluminium ; un joint tenant la pression, convenant pour un usage avec deux métaux, est disposé au point où la partie extérieure et le col doivent être assemblés hermétiquement. Une conduite d'évacuation du gaz part de la partie normalement supérieure du récipient, faite d'abord d'une certaine longueur d'acier inoxydable puis de cuivre, est enroulée en hélice autour du col avec un bon contact thermique au point de fixation au récipient. La conduite passe ensuite au travers ou à coté d'une bride formée autour du bord de l'écran et qui est faite en tôle ou en cuivre. A cette bride est fixée une seconde bride formée sur l'extrémité d'un prolongement sensiblement cylindrique qui fait corps avec l'écran et qui entoure le col à quelque distance. La conduite d'évacuation en cuivre partant alors des brides assemblées est enroulée en hélice autour du prolongement, avec un bon contact thermique, pour aboutir finalement à une ouverture de sortie dans la paroi de l'enveloppe extérieure où se trouve un joint d'étanchéité. Cette longueur finale de cette conduite de gaz est de préférence, faite en acier inoxydable. Le second - ou principal échangeur de chaleur, c'est-à-dire celui qui est installé sur le prolongement est de préférence constitué par un paquet formé par une conduite de cuivre soudée en hélice sur un corps en laiton en forme de manchon, monté sur un socle en acier inoxydable qui converge vers le col qu'il entoure et est supporté par lui.Le col lui-même est un tube mince en acier inoxydable, de préférence usiné de façon à présenter des zones où la paroi est plus épaisse. Cela est particulièrement désirable aux points où le col supporte le prolongement et par suite l'écran. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé deux formes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une illustration schématique d'un petit modèle portatif de la bouteille qui pourrait être employée dans un laboratoire. La figure 2 est une coupe montrant l'invention appliquée à une bouteille d'une capacité de 50 litres pour de l'hé- lium liquide, le dessin ne représentant-que les parties auxquelles l'invention s 'applique. Dans la figure 1, 1 désigne le récipient intérieur sphérique 2 est le col en acier inoxydable qui, est soudé hermé tiquement en 3, à la partie conique supérieure de l'enveloppe extérieure 4. L'espace entre les éléments 1 et 4 est évacué et l'écran contre le rayonnement 5 est installé, son profil étant semblable à l'enveloppe 4, c'est-à-dire approximativement hemis- phérique et conique. L'extrémité supérieure de l'écran porte en 6 une bride qui est jointe à la bride 7 de l'échangeur de-chaleur principal qui est constitué par un tube de cuivre soudé pour être en contact thermique à la bride 7 et porté par un élément en trepied, ou cylindrique d'acier inoxydable 8. Le diamètre de cet élément 8 diminue pour s'ajuster sur une partie légèrement épaissie 2A du col 2. Une conduite en acier inoxydable 10 émerge en 9 du récipient et se prolonge par une conduite hélicoldale 11 en cuivre qui entoure le col 2 et lui est soudée juste au dessus de sa liaison avec le récipient 1. La conduite 11 se prolonge jusqu'aux brides 6 et 7 puis traverse l'ensemble 11 en cuivre pour émerger dans l'atmosphère en 13, à travers une longueur 12 en acier inoxydable, 13A étant un écrou faisant joint étanche.Entre le récipient 1 et lté- cran S et entre l'écran 5 et l'enveloppe 4 un superisolant thermique 14 est prévu, de préférence sous la forme de feuilles minces de feuilles plastiques métallisées à alvéoles réfléchissantes et de feuilles plastiques métallisées réfléchissantes lisses. En 15 sur l'écran 5, fait saillie une tige de faible longueur installée dans un paquet d'isolant thermique 16 logé dans un manchon 17 qui s'étend rigidement vers l'intérieur à partir du fond de l'enveloppe 17. Cet arrangement 15, 16, 17 constitue un second support pour l'écran. Cette structure est suffisamment solide pour que même si le récipient 1 est plein de gaz liquéfié, il peut être manipulé horizontalement et, si cela est nécessaire, le liquide peut être versé. En outre, cela permet de refroidir au préalable le récipient en employant un autre gaz liquéfié, tel que l'azote, parce que le pré-réfrigérant peut être versé dedans puis versé dehors de nouveau en inclinant tout le récipient. Normalement la sortie de la bouteille en 3 est fermée par un bouchon 18 qui possède une tige 18A, sur laquelle sont montés des écrans antirayonnement 18B et qui se loge à l'intérieur de la tige 2. Le gaz froid évaporé au dessus du liquide en 1 s'échappe librement vers l'atmosphère par le conduit qui comprend les parties 9, 10, 11, llA, 12 et 13 et en agissant ainsi maintient la très basse température requise des parties intérieures de la bouteille. La vitesse d'écoulement de ce gaz est éuidemment une jonction de la vitesse de l'introduction de chaleur dans le contenu liquide du récipient. Si l'on se reporte à la figure 2, on y voit représenté un récipient ayant des dimensions industrielles, par exemple pour 50 litres d'hélium liquide. Dans la figure 2, la paroi du récipient intérieur est désignée par 20 et son extrémité supérieure (normalement) a la forme d'un dôme, en acier inoxydable. Ce récipient intérieur est à peu près complètement entouré par un écran thermique en aluminium 21, à une certaine distance du récipient 20. Cet écran 21 est à son tour à peu près complètement enfermé dans un carter extérieur 23. Suivant l'invention, 20 est en acier inoxydable, et 21 et 23 sont en aluminium. Ces trois corps creux peuvent présenter sur leur pourtour des cannelures telles que 23A pour les rendre plus rigides. Entre le récipient 20 et l'écran 21, une enveloppe en superisolant est prévueet représentéeen 24. Elle est constituée de préférence par des couches alternées de feuilles plastiques minces et de feuilles d'aluminium hautement réfléchissantes. Cette installation d'isolement thermique est bien connue en ellemême. L'écran 21 est enfermé dans une enveloppe semblable 25. Tout l'intérieur du carter 23 est évacué jusqu'à une très faible pression, comme dans le cas de la figure 1. Le récipient 20 a un col 26 ayant la forme d'un tube en acier inoxydable qui émerge dans le carter 23 à travers un bossage cylindrique en aluminium 25 auquel le carter 23 est soudé. Ce bossage qui est hermétiquement relié au tube d'acier, porte une frette thermiquement isolée 25A sur laquelle se visse un capuchon de fermeture 25B dans lequel peut se loger un joint d'étanchéité, 25C. Le col 26 ne sert pas seulement à remplir et à vider le récipient 20, mais il constitue une partie importante de la structure, en particulier comme principal support de l'écran 21 et principale liaison entre le récipient 20 et le carter 23. L'écran 21 possède une conductivité thermique élevée. Toute chaleur reçue du dehors tend à se propager vers celle de ses parties qui se trouve à la température la plus basse. L'écran 21 est, à son sommet étroitement serré entre une bride 27 et un anneau 28 par des goujons 29. La bride 27 fait corps avec un manchon de cuivre ou d'acier 30 qui est monté à chaud, brasé ou soudé sur le col 40 qui est un prolongement de l'écran 21 avec lequel il est en bon contact thermique. Autour de sa surface extérieure, dans une rainure hélicoldale ménagée dans ce but, est soudé un tube en hélice 31. Ce tube 31 comporte à son extrémité extérieure une spire libre (comme montrée en 31A) avant d'aboutir à une garniture étanche au vide 32 traversant le carter 23. Dans ce parcours, il passe, avec le soutien d'un manchon isolant 33, à travers le dispositif d'isolement 25. L'échangeur en hélice formé par 30 et 31 entraîne le gaz évaporé sous la pression atmosphérique hors du récipient 20, par une ouverture 33A qui mène à une conduite hélicoldale 34 soudée dans une rainure ménagée sur un manchon qui entoure avec un bon contact thermique, le col -26. Ainsi le gaz qui s'évapore du récipient 20 pratiquement à la température d'ébullition du liquide en 20, transmet la chaleur (s'il en existe) du col 26. Ce gaz qui se trouve maintenant très peu au dessus du point d'ébullition passe par un passage ménagé dans une monture annulaire isolante 36, en sort en 37 et arrive au serpentin 31.On doit noter que le seul contact thermique important entreltécran 21 et le récipient 20 se fait par le col 40 de l'écran 21 et que ce col est pratiquement maintenu abaissé à une température très voisine du point d'ébullit ion. La fixation en 32 comprend une pièce de traversée avec une arête d'appui aigue 32A et qui passe à travers un perçage dans le carter 23, cette pièce étant filetée pour recevoir un écrou annulaire étanche 32B, la conduite de communication avec l'atmosphère (comprenant 32, 34, 37, 31, 31A) passait à travers la pièce 32A et l'écrou 32B jusqu'à une tubulure bouchée qui présente des fentes latérales ouvertes 32D pour permettre un libre passage du gaz dans l'atmosphère. La structure extérieure de ce montage 32 est protégée par un anneau de manipulation ou poignée 41. Pour réaliser un soutien mécanique suffisant de l'écran 21 sur le col 26, un manchon de renforcement 42 est fait d'une seule pièce avec ce col ou lui est soudé, et, le col de l'écran 40 lui est fixé, par exemple par soudure en 42A par l'intermédiaire d'une collerette 42B. La partie extérieure du col 26 du récipient est entourée par un manchon thermiquement isolant 43. Un joint d'étanchéité bimétallique tenant le vide est indiqué en 44 entre le col en acier inoxydable et le carter extérieur en aluminium. A l'extrémité inférieure de ce récipient (non représentée), un second support d'isolement thermique, semblable à celui de la figure 1 peut être installé. La chaleur provenant de l'extérieur qui peut être introduite par le col 26 est évacuée par l'échangeur de chaleur formé par le serpentin 31 par conduction à travers 42, 42B, 40, 30. La chaleur qui pourrait être amenée dans l'intérieur, le long du col 36, est évacuée par l'échangeur de chaleur formé par le serpentin 34. Cette indication ne doit pas, bien entendu, signifier litteralement que cette chaleur est évacuée à 100 b, mais il a été constaté que le transfert de chaleur est extrêmement faible dans cet appareil. I1 dépend en fait beaucoup plus du maintien d'un vide élevé dans ltespace compris entre 20 et 23 et des propriétés réfléchissantes de ltensemble 24 que de l'aptitude des tuyauteries à conduire la chaleur. On doit noter que l'écran estpetforé (comme en 21A), de sorte qu'il n'existe aucune différence de pression entre ses faces. REVEND I C A T I ON s 1. Bouteille cryogénique comprenant un récipient intérieur avec un col saillant pour son remplissage, une enveloppe extérieure entourant à distance le récipient et fixée, de façon étanche au vide, au col de celui-ci, un écran contre le rayonnement ayant une haute conductivité thermique, installé à distance entre le récipient et l'enveloppe, enveloppant sensiblement ce récipient, une partie du col de cet écran s'étendant autour du col de remplissage et étant espacée de celui-ci sauf au point de fixation entre le col de remplissage et la partie du col, dont la fixation constitue le support principal de ltecran, une conduite d'aspiration ou évent conduisant de l'intérieur du récipient à l'atmosphère libre et -comprenant un dispositif échangeur de chaleur pouvant fonctionner entre le gaz aspiré dans cette conduite et le col de l'écran. 2. Récipient suivant la revendication 1, comprenant de plus un second dispositif échangeur de chaleur pouvant fonctionner entre le gaz aspiré dans cette conduite et le col de remplissage du récipient dans une région située à l'intérieur de 1 'écran 3. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'espace adapté à maintenir un vide élevé entre le récipient et l'enveloppe extérieure contient aussi un superisolant qui entoure complètement le récipient. 4. Récipient suivant la revendication l, carac- térisé par le fait que le récipient et le col de remplissage sont en acier inoxydable et l'enveloppe est faite en un alliage léger. 5. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un dispositif de fermeture est prévu pour le col de remplissage du récipient et ce dispositif est adapté à empêcher la propagation de la chaleur vers l'intérieur. 6. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une partie de la conduite d'aspiration est faite en un métal ayant une haute conductivité thermique et est enroulée en hélice autour du col de remplissage auquel elle est fixée avec une haute conductivité thermique, par une soudure par exemple. 7. Récipient suivant la revendication 6, carac térisé par le fait que la conduite d'aspiration est de même arrangée et fixée par rapport à la partie en forme de col de 1 1écran. 8. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est partiellement supporté dans l'enveloppe, dans une région éloignée du col de remplissage, par des moyens thermiquement isolants qui permettent des changements des caractéristiques thermiques du récipient par rapport à l'enveloppe. 9. Récipient suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que le récipient intérieur et l'enveloppe sont pourvus, pour le support partiel du récipient dans l'enveloppe, d'une tige qui d'une part pénètre dans un ensemble thermiquement isolant et d'autre part constitue une résistance contre tout mouvement latéral.