Brevet FR2313707A1 — publié le 19761231

La présente invention concerne un dispositif pour le contrôle du niveau d'un liquide cryogène dans un récipient, du type de ceux comportant un robinet à soupape d'isolement apte å être monté sur la conduite d'amenée du liquide cryogène au dit récipient et dans lesquels le corps de la soupape présente des moyens de détection du niveau du liquide cryogène dans le récipient et un transducteur apte à transformer le signal fourni par les moyens de détection en un déplacement de l'obturateur de la soupape pour l'amener de sa position normalement ouverte à une,position fermée lorsque le liquide cryogène dans le réci pipent atteint sensiblement un niveau prédéterminé. Les dispositifs de ce type sont très utiles dans diverses applications, telles que: - le transvasement d'azote liquide jusqu'à un niveau préalable- sent fixé; - le maintien à un niveau constant de l'azote liquide contenu dans un récipient, opération qui est particulièrement utile pendant les expériences de laboratoire; - le maintien å un niveau constant de l'azote liquide dans les séparateurs des postes & diffusion de vapeurs qui doivent tra vailler sans surveillance;; - la circulation de l'azote liquide dans les chicanes pour les pompes & diffusion de vapeurs, On employait jusqu'ici pour assurer cR anctions des dispositifs de controle de niveau à fonctionnement électrique, dont le principal inconvénient consiste en ce qu'ils dépendent -d'une source d'énergie électrique et ne peuvent donc fonctionner en cas de panne de courant. L'invention a donc pour objet de réaliser un dispositif de contrôle du niveau de liquides cryogènes qui soit entièrement autonome et d'une extrême simplicité. A cet effet, dans le dispositif selon l'invention, les moyens de détection sont constitués par un fluide gazeux condensable à la température du liquide cryogène dont on doit contrôler le niveau, fluide qui est contenu de façon parfaitement étanche dans la chambre intérieure d'un soufflet élastique ainsi que dans le conduit intérieur d'un tube capillaire qui communique, par une de ses extrémités, avec ladite chambre intérieure et dont l'autre extrémité est fermée et constitue une sondé apte à entre placée au niveau prédéterminé à l'intérieur du récipient, et le transducteur par ledit soufflet élastique, lequel comporte un fond fixe, solidaire du corps de la soupape, et un fond mobile relié mécaniquement à l'obturateur, l'ensemble étant agencé de telle~façon-que lorsque la sonde se trouve hors du liquide cryogène et que le fluide n'est pas condensé, le soufflet à l'état déployé maintient l'obturateur en position d'ouverture, tandis que lorsque le liquide cryogène atteint sensiblement le niveau prédéterminé, venant "lécher" la sonde, la condensation du fluide qui en résulte provoque la contraction du soufflet et amène l'obturateur en position de fermeture. L'invention permet donc de réaliser un dispositif de contrôle de niveau complètement autonome et d'une grande simplicité, dont le fonctionnement ne demande aucune surveillance. Dans une forme d'exécution particulière, ce dispositif est muni en outre d'une commande manuelle qui, non seulement permet la manoeuvre manuelle d'ouverture et de fermeture de la soupape, mais permet aussi de régler la position d'ouverture maximale de cette dernière et, par~là, l'écouleient du liquide cryogène pendant le fonctionnement automatique. le dispositif selon l'invention peut équiper nti-por- te quel type de récipient pour azote liquide ou autres liquides cryogènes, depuis les récipients sous pression de grande capani- té jusqu'aux récipients traditionnels pour laboratoire. De toute façon, l'invention sera bien comprise i l'ai- de de la description qui suit, en référence au dessin schSmati- que annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce dispositif: Fig. 1 représente de façon très schEmatiste comment un dispositif de contrôle de niveau selon l'invention peut être installé pour effectuer un transvasement de liquide cryogène; Fig. 2 est une vue en coupe d'une forme d'exécution du dispositif sans commande manuelle; Fig. 3 est une vue en coupe similaire à fig. 2, représentant une forme d'exécution du dispositif avec commande manuel le. Dans l'application simple de l'invention représentée à la fig. 1, le dispositif D de contrôle de niveau est monté sur une conduite T qui relie un récipient C contenant de l'azote liquide ou un autre gaz cryogénique liquéfié à un autre récipient R, dans lequel une partie de ce liquide A doit être transvasée jusqu'à un niveau prédéterminé 1. Comme on peut le voir à la fig. 2, qui représente le dispositif D en coupe longitudinale et à une plus grande échelle, le corps creux 10, de forme sensiblement cylindrique, d'un robinet à soupape d'isolement, de type traditionnel pour azote liguide ou autre liquide cryogène similaire, est divisé par une cloison 11 en une chambre d'entrée 12 et une chambre de sortie 13, dans lesquelles débouchent les tubulures respectives.d'en- trée 14 et de sortie 15 du liquide, visibles aussi à la fig. 1. Dans la cloison 11 est ménagé le siège conique habituel 16 pour un obturateur 17, du type en forme de bouchon, qui présente une surface coniqué correspondant à celle du siège et est fait d'une matière étanche appropriée, par exemple du polytétrafluoréthylène. L'obturateur 17 est muni d'une tige de manoeuvre 18 qui, traversant la chambre 13 sort du corps 10 et traverse avec un certain jeu un trou 19 ménagé dans un couvercle 20, qui est soudé de façon étanche au corps 10 et délimite la chambre 13. Sur le couvercle 20 est soudéede façon étanche une extrémité d' un élément tubulaire à paroi mince 21, qui entoure la tige de manoeuvre 18 et à l'autre extrémité duquel est soudée une enveloppe 22 ed forme de godet sensiblement cylindrique.la tige 18 traversé avec un certain jeu un trou 23 ménagé dans le fond 24 de l'enveloppe 22. Pour renforcer la liaison rigide entre le corps 10 et l'enveloppe 22, ceux-ci sont reliés en outre à un élément tubulaire extérieur à paroi mince 25. A son extrémité opposée au fond 24, l'enveloppe 22 est fermée de façon étanche par un couvercle vissé 26.Sur la face interne du couvercle 26 est soudée de façon étanche une extrémité d'un soufflet métallique élastique 27, à paroi cylindrique ondulée, du type habituel, par exemple en tombac. A l'autre extrémité du soufflet 27 est soudé de façon étanche un fond circulaire mobile 28, adjacent au fond 24 de ltenveloppe 22. le fond 28 présente en son centre un bossage taraudé ?9, dans lequel se visse l'extrémitée filetée correspondante de la tige de manoeuvre 18. Dans le couvercle 26 est formé un conduit 30, qui com munique avec la chambre intérieure 31 du soufflet ?Z et débouche à l'extérieur par l'intermédiaire d'un raccord j2, dans lequel est soudée de façon étanche une extrémité d'un long tube capillaird 33, dont l'autre extrémité, libre, 34 est fermée. Comme on lé voit mieux à la fig. 1, cette extrémité libre j4 constitue une sonde destinée à pénétrer dans le récipient R dans lequel est transvasé le liquide cryogène contenu dans le récipient C au moyen de la conduite T sur laquelle est montée le robinet à soupape du dispositif D selon l'invention.A cet effet, le tube capillaire peut avoir n'importe quelle longueur désirée ou nécessaire, qui permette de placer la sonde 34 dans le récipient R sensiblement à la hauteur du niveau L qu'on désire faire atteindre au liquide A et/ou maintenir dans le récipient R. Le tube capillaire 2 doit être en outre déformable afin de pouvoir lui faire suivre n'importe quel parcours désiré ou nécessaire pour amener la sonde 25 à la position susmentionnée, et il est donc fait de préférence de cuivre recuit. La chambre 51 du soufflet 27 et l'intérieur du tube capillaire sont remplis d'un gaz condensable à la température de l'azote liquide ou autre liquide cryogène à transvaser. Dans le cas considéré, on emploie avantageusement de l'oxygène à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, par exemple, 2 atmosphères, mais, parmi les autres gaz appropriés, on pourrait aussi employer l'argon. Lorsque la sonde 54 ne plonge pas dans le liquide s contenu dans le récipient R, l'oxygène se trouve à l'état gazeux et le soufflet 27 est à l'état déployé ou position de repos dans laquelle, par l'intermédiaire du fond mobile 28 et de la tige de manoeuvre 18, il maintient l'obturateur en position ouverte et permet au liquide de s'écouler du récipient C vers le récipient R à travers le robinet d'isolement monté sur la conduit te T. Lorsque le liquide cryogène A vient la lécher, la sonde 34 est amenée à une basse température par ledit liquide et la pression dans la chambre 31 du soufflet 22 s'abaisse alors à la valeur correspondant à la tension de vapeur de l'oxygène à cette température, de sorte que le soufflet 27 se contracte et provoque la fermeture de l'obturateur 21 du robinet à soupape, interrompant ainsi l'écoulement du liquide vers le récipient R. Lorsque le niveau du liquide A dans le récipient R diminue, par exemple par suite d'un prélèvement ou de l'évaporation, la sonde n'est plus léchée, l'oxygène s'évapore, dilatant le soufflet J2 qui ramène alors l'obturateur 21 en position ouverte. Pour que le dispositif fonctionne correctement, il est nécessaire que l'oxygène contenu dans la chambre 31 soit sous trait le plus possible à l'influence thermique du liquide à très basse température qui traverse la soupape. A cet effet, la tige 18 et les éléments tubulaires 21 et 25 sont faits d'une matière ayant une faible conductibilité thermique, de préférence de l'a cier inoxydable. On peut voir à la fig. 2 que la chambre 13 est en com munication par le trou 19 avec l'espace intérieur ai'i de l'élé ment tubulaire 21 et, par le trou 23, avec l'espace annulaire 36 entre le soufflet 27 et son enveloppe 22. Cette communication est inévitable si l'on ne veut pas adopter un organe d'étanchéi té coulissant sur la tige 18 dans le trou 19, organe qui, d'une part, serait une source de frottement avec pour conséquence une perte de sensibilité et, d'autre part, fonctionnerait dans des conditions difficiles par suite du contact avec le liquide cryo gène.Toutefois, ceci ne constitue pas un inconvénient si, lors qu'on utilise le dispositif, on maintient le soufflet beaucoup plus haut que la chambre 13 et de préférence à la verticale de celle-ci, ce qui exclut la montée du liquide cryogénique dans 1' espace annulaire 36, laquelle, étant étanche, sera remplie, com me la plus grande partie de l'espace 35, par la vapeur du liqui de cryogène, qui fait aussi fonction d'isolation thermique. Enfin, l'espace annulaire entre les éléments tubu laires 21 et 2'i communique avec l'atmosphère par l'i-ntermédiaire d'ouvertures 38 ménagées dans la partie de l'élément 25 proche du corps 10, pour améliorer encore davantage l'isolation thermi > que par le labyrinthe thermique ainsi obtenu à l'intérieur de 1' élément tubulaire 2 lia fig. + représente une variante de réalisation du dispositif qui vient d'être décrit en référence à la fig. 2, variante dans laquel le dispositif est muni en outre d'une com mande manuelle.Les parties du dispositif selon cette variante qui sont identiques ou similaires aux parties correspondantes du dispositif représenté à la fig. 2 sont désignées par les mê mes références et ne seront pas décrites de nouveau. Dans cette variante, la tige 18a reliée å l'obturateur 12 est prolongée de façon à dépasser du couvercle 26a de l'enve- loppe 22 par un trou prévu à cet effet. Sur la partie saillante 39 de la tige 18a, partie qui est filetée, est vissée une poi gnée de commande manuelle 40. Entre cette poignée 40 et le cou vercle 26a est interposée une rondelle 41 de matière résistante à l'usure. Dans cette forme d'exécution aussi, la tige 18a est solidaire du fond mobile 28a du soufflet 27 grâce à une soudure parfaitement étanche. A l'intérieur du soufflet 27,la tige 18a est entourée d'un second soufflet cylindrique 42, à paroi ondulée, qui est coaxial au soufflet 27 et, comme celui-ci, est soudé de façon étanche aux fonds 26a et 28a, les deux soufflets définissant ainsi entre eux une chambre annulaire 31a qui a la mëme fonction que la chambre 31 dans la forme d'exécution représentée à la fig 1. Le second soufflet 42 a une paroi extra-mince, avec un nombre d'ondulations très supérieur à celui de la paroi du soufflet 27 (par exemple 30 au lieu de 15), de sorte qu'il n'influence pas de façon notable l'action mécanique du soufflet 27. La poignée de commande manuelle 40 offre la possibilité, par son vissage et son dévissage sur la tige 18a tandis qu' elle est maintenue appliquée contre la rondelle 41 interposée entre elle et le couvercle 26a par l'action du ressort de rappel que constitue le soufflet 22, d'ouvrir et de fermer l'obtu- rateur mi, comme dans le cas d'un simple robinet d'isolement à commande manuelle. En marche automatique du dispositif, la poignée 40 permet au contraire de régler le débit du liquide cryogène, car il accompagne le mouvement alternatif rectiligne de la tige 18a et règle ainsi la valeur de la course de l'obturateur mi et, de ce fait, la section de passage entre ce dernier et son siège 16, la course de l'obturateur s'achevant lorsque la poignée 40 est arrëtée par le couvercle 26a par l'intermédiaire de la rondelle 41 et sa longueur étant fonction du degré de vissage de la poignée sur la tige 18a. Il va de soi qu'il est prévu à l'extrémité supérieure de la tige 18a un organe d'arrêt, comme une vis i3 pour empêcher le dévissage complet de la poignée 40. Outre les avantages déjà énumérés, la forme d'exécu- tion représentée à la fig. 2 et sa variante de la fig. 3 présentent celui d'avoir une forme cylindrique compacte et pratiquement "lisse", avec un faible encombrement. - EEVENDICATIONS - Dispositif pour le contrôle du niveau d'un liquide cryogène dans un récipient, du type de ceux comportant un robinet d'isolement à soupape apte à être monté sur la conduite d' amenée du liquide cryogène au dit récipient et dans lesquels le corps de la soupape présente des moyens de détection du niveau du liquide cryogène dans le récipient et un transducteur apte à transformer le signal fourni par les moyens de détection en un déplacement de l'obturateur de la soupape pour l'amener de sa position normalement ouverte à une position fermée lorsque le liquide cryogène dans le récipient atteint sensiblement un niveau prédéterminé, caractérisé en ce que les moyens de détection sont constitués par un fluide gazeux condensable à la température du liquide cryogène dont il faut contrôler le niveau, fluide qui est contenu de façon parfaitement étanche dans la chambre intérieure d'un soufflet élastique ainsi que dans le conduit intérieur d'un tube capillaire qui communique, par une de ses extrémités, avec ladite chambre intérieure et dont l'autre extrémité est fermée et constitue une sonde apte à être placée au niveau prédéterminé à l'intérieur du récipient et en ce que le transducteur est constitué par ledit soufflet élastique, lequel comporte un fond fixe, solidaire du corps de la soupape, et un fond mobile relié mécaniquement à l'obtursteur, l'ensemble étant agencé de. telle façon que lorsque la sonde se trosve hors du liquide cryogène et que le fluide n'est pas condensé, le soufflet à l'état déployé maintient l'obturateur en position d'ouverture, tandis que lorsque le liquide cryogène atteint sensiblement le niveau prédéterminé, venant lécher la sonde, la condensation du fluide qui en résulte provoque la contraction du soufflet et amène ainsi l'obturateur en position de fermeture. 2.- Dispositif selon la revendication 1, comprenant un obturateur en forme de bouchon, caractérisé en ce que le soufflet est enfermé dans une enveloppe qui surmonte le corps de la soupape et dont fait partie le fond fixe du soufflet, ladite enveloppe étant reliée rigidement, de façon étanche, au dit corps par un élément tubulaire à travers lequel le côté aval de l'obturateur se trouve en communication avec l'espace annulaire défini entre le soufflet et son enveloppe, et en ce que la liaison mécanique entre le soufflet et l'obturateur est constituée par une tige coulissante qui relie rigidement l'obturateur au au fond mobile du soufflet en traversant ledit élément tubulaire. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tige reliant le soufflet à l'obturateur est prolongée à travers le soufflet et dépasse à l'extérieur de l'enveloppe en traversant le fond fixe du soufflet, en ce que sur la partie saillante de la tige est vissée une poignée qui permet de manoeuvrer manuellement l'obturateur et de prérégler sa position d'ouverture maximale, et en ce qu'à l'intérieur du soufflet, la tige est entourée d'un second soufflet, qui relie de façon étanche le fond mobile au fond fixe du premier soufflet. 4.- Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la tige et l'élément tubulaire sont faits d'une matière ayant une faible conductibilitéthermique, par exemple l'acier inoxydable. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube capillaire est fait d'une matière déformable, par exemple du cuivre recuit. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, en particulier pour liquide cryogène constitué par de l'azote liquide, caractérisé en ce que le fluide gazeux condensable est l'oxygène ou l'argon à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.