Brevet FR2500908A1 — publié le 19820903

Installation cryogénique à fonctionnement en l'absence de gravité, notamment pour missions spatiales. La présente invention concerne les installations cryogéniques à fonctionnement en l'absence de gravité, du type dit à cycle ouvert, comprenant un réservoir de stockage de fluide cryogénique en équilibre phase liquide- phase vapeur et un séparateur de phase présentant une entrée communiquant avec le volume interne du réservoir et une sor- tie de libération de gaz, ladite entrée comportant un organe obturateur. On sait en effet que, en particu- lier, le refroidissement de détecteurs ou d'autres éléments de charges utiles aux basses ou très basses températures est une exigence commune à de nombreux programmes ou projets de missions-spatiales scientifiques ou d'application. Ces basses températures peuvent en principe être obtenues à l'aide de méthodes et d'installa- tions cryogéniques. L'utilisation, comme moyen de refroidis- sement, de la vaporisation de liquides cryogéniques ou cryo- gènes stockés en équilibre avec leur vapeur, présente pour les applications spatiales un grand intérêt. Suivant le li- quide utilisé, ces méthodes couvrent une plage de température allait de 1,5 à 770K. La capacité de refroidissement de l'ins- tallation et sa durée de vie dépendent de la masse et du vo- lune de cryogène embarqué, ainsi que de l'isolation thermique du cryostat de stockage et de l'énergie dissipée dans ce cryostat. Toutefois, l'un des problèmes re- latifs aux méthodes et installations utilisant des liquides cryogéniques en l'absence de gravité est l'impossibilité de prédire la phase du fluide à l'entrée du tube par lequel ce fluide devra quitter le réservoir de stockage. Il en résulte que, alors que, sur terre, la séparation entre phase liquide et phase vapeur s'effectue naturellement sous l'effet de la pesanteur, il est nécessaire, en l'absence de gravité, d'avoir recours à un moyen approprié de séparation des deux phases pour assurer l'évacuation uniquement du gaz. - 2- 2500908 -2- On connaît déjà, par exemple par l'article de P. M. Selzer, W. M. Fairbank et C. W. F. Everitt, dans la revue Advanced Cryogenic Engeniering, volume 16, (1971) page 277, des installations du type considéré dans les- quelles le séparateur de phase présente un circuit capillaire o la séparation survient par effet thermomécanique, le débit d'évacuation du gaz étant réglé à l'aide d'une vanne. On connaît également, par exemple par l'article de R. C. Mitchell, J. A. Stark et R. C. White, dans la revue précitée, tome 12 (1967), page 72, ou l'article de J. A. Stark et M. H. Blatt, dans la même revue, tome 14, (1969), page 146, des installations de ce type dans lequelles le séparateur de phase présente un échangeur de chaleur dis- posé entre son entrée et sa sortie, et l'organe obturateur est à ouverture permanente, en cours de fonctionnement, que cette ouverture soit réglable ou non, constituant ainsi un organe restricteur. L'invention a pour but de fournir une installation de ce même type-utilisant un mécanisme obtu- rateur à fonctionnement, et éventuellement a réglage, le plus simples possible en raison, entre autres, de la difficulté d'obtenir une fermeture suffisamment étanche tout en n'exi- geant que des efforts acceptables, c'est-à-dire un minimum d'énergie dissipée au niveau du fluide cryogénique stocké. A cet effet, elle a pour objet une installation du type précité, caractérisée en ce que le sépa- rateur de phase comporte une chambre de transfert, son entrée présentant un organe restricteur et un0organe obturateur, et sa sortie un organe obturateur, les deux organes obturateurs étant reliés à une commande d'ouverture et fermeture complète alternées de ces organes, avec fermeture simultanée entre l'ouverture de l'obturateur d'entrée et celle de l'obturateur de sortie. Grâce à cet agencement, du fait que l'un des obturateurs est fermé lorsque l'autre est ouvert et vice versa, il est impossible que du liquide puisse tran- siter directement du réservoir à l'extérieur. En outre, du fait de la présence de l'organe restricteur d'entrée, il se crée, pendant l'ouverture de l'obturateur d'entrée, un débit de fluide à travers cet organe restricteur qui est proportion- nel à la chute de pression dans cet orifice et inversement proportionnel à la viscosité absolue du fluide en application de l'équation: M=STZ A p L I dans laquelle M est le débit-masse net, L la densité du fluide, s l'entropie spécifique, T la température, Z un coefficient dimensionnel de l'organe restricteur, AP la chute de pression et Tl la viscosité absolue; or, du fait que l'on se trouve en présence d'un fluide en équilibre phase liquide-phase gazeuse et que la viscosité cinématique (n.) du liquide est beaucoup plus faible que celle de la vapeur saturée, le débit-masse du fluide à travers cet orifice restricteur d'entrée sera diffé- rent selon que c'est du liquide ou du gaz qui se présente à l'entrée de l'orifice. Le gaz qui a traversé cet orifice, ain- si que l'organe obturateur d'entrée, pendant l'ouverture de ce dernier, s'accumule dans la chambre de transfert, à partir de laquelle il peut, par la suite, passer vers la sortie de libé- ration de gaz lors de l'ouverture qui suit de l'organe obtura- teur de sortie. Dans un mode de réalisation par- ticulièrement avantageux de l'invention, le réservoir de stoc- kage et la chambre de transfert peuvent être disposés en cou- plage thermique direct. Grâce à cette disposition, il n'y a pas de liquide, en régime stable ou permanent de fonctionne- ment, dans la chambre de transfert, de sorte que seul du gaz peut être libéré par la sortie de libération. Ceci est dé au fait qu'en régime permanent, d'une part, les températures dans le réservoir de stockage T0 et dans la chambre de trans- fert T1 sont égales (T0 = T1) du fait du couplage thermique, et, d'autre part, la pression dans la chambre de transfert P1 est inférieure à celle dans le réservoir de stockage P0 (P1> P0) et ne peut jamais l'atteindre. Le respect de cette relation exige qu'elle soit bien établie lors de la mise en service (conditions initiales), tandis que par ailleurs la -4masse de fluide M admise dans la chambre de transfert pendant l'ouverture de l'obturateur d'entrée doit être assez faible pour que la valeur de la pression dans la chambre n'atteigne pas celle de la pression P0 du réservoir après évaporation du liquide. La première condition se trouve bien remplie du fait que l'obturateur de sortie, normalement ouvert tant que l'ob- turateur d'entrée est fermé, se ferme de lui-même dès l'ouver- ture de ce dernier, non seulement pendant la durée de cette ouverture, mais encore pendant le temps de fermeture simulta- née prévue At qui assure une vaporisation totale du liquide que l'obturateur d'entrée peut avoir admis dans la chambre. La seconde condition se trouve également remplie en raison de la combinaison de l'orifice restricteur d'entrée et de la fai- ble durée d'ouverture que l'on prévoit pour l'obturateur d'en- trée et qui est telle que, même si du liquide pur se présente à l'orifice restricteur d'entrée, l'incrément de masse rm, admis dans la chambre pendant-cette faible durée d'ouverture, n'est pas suffisant pour que P1 atteigne P0. Avantageusement, il peut être par ailleurs prévu que la commande d'ouverture et fermeture complète des deux organes obturateurs soit reliée à un organe de fourniture d'une pression de consigne comprise entre la pression du réservoir et la pression extérieure, et- elle com- prend un organe comparateur relié à cet organe de consigne et à un organe de mesure de pression de la chambre de transfert. Cette disposition permet d'assurer la répétition cyclique de l'ouverture de l'obturateur d'entrée, celui-ci restant fermé tant que la pression P1 de la chambre est supérieure à la pression de consigne PC, mais s'ouvrant dès qu'elle lui de- vient inférieure. L'écart ou marge à respecter entre la pres- sion de consigne PC et la pression du réservoir P0 est déter- minée en fonction, d'une part, du volume de la chambre de transfert, et, d'autre-part, de l'incrément de masse Am.maxi- mum qui peut être admis par l'obturateur d'entrée. De préférence et également sui- vant l'invention, la commande d'ouverture et fermeture cc'mplète des deux organes obturateurs peut être reliée à un organe de fourniture d'un signal de commande de durée d'ouverture de l'organe obturateur d'entrée. C'est l'évaporation de l'incré- ment de liquide m admis dans la chambre de transfert par l'intermédiaire de cet obturateur d'entrée qui fait monter la pression dans cette chambre afin qu'elle atteigne la pression de consigne, provoquant ainsi l'ouverture de l'obturateur de sortie. La valeur de ce signal de commande, et par conséquent de la durée de l'ouverture de l'obturateur d'entrée, est dé- terminée en fonction du volume de la chambre de transfert, de la pression du réservoir de stockage Po, de la température de ce réservoir T0 et des caractéristiques physiques du fluide utilisé, de sorte que, dans certains cas, ce signal peut être constant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, et en regard du des- sin annexé sur lequel la Figure unique représente schématique- ment une installation suivant un mode de réalisation particu- lier conforme à l'invention. Cette installation comprend un réservoir de stockage 1, fermé, dans lequel se trouve contenu un fluide cryogénique en équilibre phase liquide- phase vapeur, tel que par exemple de l'hydrogène liquide ou de l'hélium li- quide. Elle comprend également un sépa- rateur de phase 2, qui est constitué par un tuyau 2 et disposé à l'intérieur du réservoir 1, de manière que l'une de ses ex- trémités 3, constituant l'extrémité d'entrée, demeure à l'inté- rieur du réservoir pour faire communiquer ce tuyau avec le vo- lume interne du réservoir, tandis que son autre extrémité 4, constituant une extrémité de sortie, traverse la paroi du ré- servoir de manière à déboucher à l'extérieur de ce dernier et à former une sortie de libération de gaz. A une faible distance de son ex- trémité d'entrée 3, le tuyau 2 présente un organe restricteur ou étranglement 5, tandis que, également à une faible distance de cet organe restricteur, et du côté opposé à l'entrée, se trouve interposée sur ce tuyau, une électrovanne 6 constituant un premier organe obturateur. De même, à une faible distance de l'emplacement o le tuyau traverse la paroi du réservoir 1, en direction de sa sortie, et à l'intérieur de ce réservoir, le tuyau comporte un second organe restricteur ou étranglement 7, tandis que, également à une faible distance de cet organe restricteur, et du côté opposé à la sortie 4, se trouve in- terposée sur le tuyau une électrovanne 8, constituant un se- cond organe obturateur. L'agencement des deux électrovannes 6 et 8 délimite ainsi, à l'intérieur du tuyau 2, une chambre de transfert 9 qui s'étend, entre ces deux électrovannes, sur la plus grande partie de la longueur du tuyau. Du fait de la disposition du tuyau, le volume intérieur de cette chambre de transfert 9 se trouve donc en situation d'échange thermique avec le volume intérieur du réservoir 1. L'installation est commandée par une com- mande d'ouverture et fermeture complète alternée des organes obturateurs, avec fermeture simultanée entre l'ouverture de l'obturateur d'entrée et celle de l'obturateur de sortie, cette commande étant constituée par un circuit,par exemple,de type électro-pneumatique 10, contenu dans un bottier disposé à l'ex- térieur du réservoir 1. Cette commande comporte six entrées, à savoir une entrée 10a, reliée à une sonde thermométrique Il disposée à l'intérieur du réservoir 1 et fournissant ainsi la valeur de la température T0 régnant à l'intérieur de ce réser- voir, une seconde entrée 10 b, reliée à un manomètre 12 égale- ment disposé dans le réservoir 1 et fournissant la valeur de la pression P0 régnant dans ce réservoir, une troisième en- trée 10c, reliée à un second manomètre 13 associé à la chambre de transfert 9 et fournissant ainsi une valeur de la pression P1 régnant dans cette chambre, une quatrième entrée 10d, re- liée à un organe 14 de fourniture d'un signal de commande C de durée d'ouverture de l'électrovanne d'entrée, une cinquième entrée 10e, reliée à un organe 15 de fourniture d'une pression de consigne PC comprise entre la pression P0 du réservoir et la pression extérieure, et enfin une sixième entrée 10f, -7- reliée à un troisième manomètre 16 associé à la sortie 4 du tuyau 2 et fournissant une valeur de la pression extérieure P2. Les entrées lob, 10c, 10e et 10f fournissant des valeurs de pression sont raccordées à des tuyauteries pneumatiques tandis que les entrées 1Oa et 1Od sont raccordées à des jonctions électriques. La jonction parvenant à l'entrée lOa présente par ailleurs une dérivation 17 reliant la sonde 11 à l'organe de pression de consigne 15. La commande 10 présente également deux sorties 1Qg et 10h qui sont raccordées par des jonctions électriques respectivement aux deux électrovannes 6 et 8. La commande 10 comporte en particulier un comparateur 18 dont les entrées sont reliées aux deux entrées lOc et 10f précitées. L'installation cryogénique décrite fait, bien entendu, partie d'un ensemble d'utilisation plus important et c'est ainsi, en particulier, que le réservoir de stockage 1 constitue un cryostat qui se trouve avantageusement en contact thermique avec des instruments ou autres parties à refroidir, embarqués sur un engin spatial. Le fonctionnement de cette instal- lation est le suivant: Le fluide cryogénique utilisé se trouve stocké en équilibre liquide-vapeur, sous une tempéra- ture T et sous une pression Po, alors que la pression exté- O rieure à ce réservoir a une valeur P2 qui est inférieure à P0. C'est un mélange en proportions quelconques liquide-vapeur à pression P. qui peut se présenter à l'entrée 3 du tuyau ou séparateur de phase 2, alors que seul du gaz doit être libéré à la sortie 4 de ce tuyau, à la pression P2. Avant la mise en service de l'ins- tallation, aucun signal de consigne n'est émis par l'organe et la commande 10 maintient les deux électrovannes 6 et 8 fermées. Telle est la situation à un instant arbitraire avant mise en service t. A un instant choisi t1, l'organe 15 est actionné de manière à fournir un signal de consigne PC qui se trouve appliqué à la commande 10. Ce signal est alors comparé au signal de pression P1 fourni par le manomètre 13. -8- Si l'on suppose, qu'avant la mise en service de l'installation, la chambre de transfert a été mise sous une pression P1 com- prise entre la valeur de consigne PC et la pression du réser- voir P0, le comparateur 18 constate alors que P1 > PC et il commande alors l'ouverture de la vanne de sortie 8, la vanne de sortie 6 restant par contre fermée. Du fait de cette ouverture de la vanne de sortie 8, la pression P1 dans la chambre de transfert 9 baisse et tend vers la valeur P2 de la pression extérieure. Au cours de cette diminution de la pression P1, celle-ci de- vient à un instant t2 plus petite que la valeur PC et le com- parateur 18 provoque alors la fermeture de la vanne de sortie 8.? puis l'ouverture de la vanne d'entrée 6. A la suite de cet instant t2, le signal de commande C émis par l'organe 14 et reçu par la commande 10, provoque le maintien à l'état ouvert de la vanne d'entrée 6 pendant un laps de temps At qui est fonction de la valeur de ce signal de commande C. Une fois ce laps de temps écoulé, soit à l'instant t2 + At, la commande 10 provoque la fermeture de la vanne d'entrée 6 de sorte que les deux vannes se trouvent simultanément fermées. Pendant le laps de temps ât pré- cité, une quantité de fluide du réservoir a pénétré dans la chambre de transfert 9, et ce fluide comporte en partie une quantité de liquide Lm qui s'évapore alors dans cette chambre et fait monter la pression régnant dans celle-ci. Lorsque cette pression P1 devient égale ou supérieure à la pression de con- signe PC fournie par l'organe 15, la commande 10 provoque l'ou- verture de la vanne de sortie 8, ce qui se réalise à un ins- tant t3 postérieur à t2 + At, c'est-à-dire lorsque l'évapora- tion complète du liquide s'est effectuée. Du fait de l'ouverture de cette vanne de sortie, la pression P1 de la chambre baisse à nouveau, pour tendre vers la valeur P2, et dès qu'elle passe au-dessous de la pression de consigne Pc, le cycle reprend de la même ma- nière que ci-dessus à l'instant t2 par la-fermeture de la vanne de sortie 8, puis de l'ouverture de la vanne d'entrée 6. _ 9' La commande des deux vannes peut ainsi être schématisée par le tableau suivant Vanne Vanne d'entrée de sortie t =O F F t= t F O t t2 O F t t2+At F F * t = t3 F O On peut, juste avant l'instant t2 prévoir un temps mort ou retard maintenant les deux vannes simul- tanément fermées afin d'éviter tout risque de superposition des phases d'ouverture de ces deux vannes. Le signal de commande C fourni par l'organe 14 peut être variable et par conséquent le laps de temps.At et l'incrément de liquide admis Am également, mais il peut également être prévu dans certains cas de donner une valeur constante à ce signal. Il est déterminé en fonction entre autres du volume V1 de la chambre de transfert 9, de la pression P0 et de la température T régnant dans le réservoir 1 ainsi que des caractéristiques physiques du liquide cryogénique utilisé. Ce fonctionnement suppose tout d'abord que comme conditions initiales la pression dans la chambre 9 soit inférieure à celle du réservoir 1, P1 la valeur du signal de commande C) doivent être prévus de ma- nière telle que même si du liquide pur se présente à l'orifice , l'incrément de masse Am admis dans la chambre 9 pendant ce laps de temps At ne soit pas suffisant pour que la pression P1 de la chambre atteigne la valeur P0. La présence de l'organe restricteur de sortie 7 assure également un maintien de la pression de la chambre constamment supérieure à la pression ex- térieure, de sorte qu'en régime permanent se trouve constamment vérifiée la relationPo> P1 > P2. Le maintien de cette condi- tion associé au maintien de l'égalité entre les températures de la chambre et du réservoir Tl = To, en raison du couplage -10-- thermique direct du tuyau 2 à l'ultérieur du réservoir 1, évite toute stagnation possible du liquide à l'intérieur de la chambre. Il en résulte donc bien que seul du gaz peut sortir par l'évacuation 4 du séparateur de phase 2. La valeur de la pression de con- signe P. peut être réglable, ce qui permet de faire varier le débit du gaz sortant. La marge à respecter entre les va- leurs de la pression de consigne PC et la pression du réser- voir P0 est déterminée par l'incrément de masse Am maximum qui peut être admis par la vanne d'entrée 6, compte tenu du volume V1 de la chambre 9 et afin que, comme indiqué plus haut, la pression P1 de la chambre ne puisse pas atteindre la valeur P0 lors de l'évaporation de cet incrément de masse AMn. Dans une variante de réalisation, le volume de la chambre de transfert 9 comprend un matériau à forte conductibilité et grande surface d'échange de cha- leur avec le gaz, tel que de la laine de cuivre, ceci afin de favoriser au maximum l'échange thermique entre le gaz con- tenu dans cette chambre et le fluide contenu dans le réser- voir. O0908 - 11 - REVENDICATIONS 1 ) - Installation cryogénique à fonc- tionnement en l'absence de gravité, du type dit à cycle ouvert, comprenant un réservoir (1) de stockage de fluide cryogénique en équilibre phase liquide-phase vapeur et un séparateur de phase (2) présentant une entrée (3) communi- quant avec le volume interne du réservoir et une sortie (4) de libération de gaz, ladite entrée comportant un organe obturateur (6), caractérisée en ce que le séparateur de phase (2) comporte une chambre de transfert (9), son entrée (3) présentant un organe restricteur (5) et un organe obturateur (6), et sa sortie (4) un organe obturateur (8), les deux organes obturateurs (6, 8) étant reliés à une commande (10) d'ouverture et fermeture complète alternées de ces organes. ) - Installation selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le réservoir de stockage (1) et la chambre de transfert (9) peuvent être disposés en couplage thermique direct. 3 ) - Installation selon la revendi- cation l, caractérisée en ce que la chambre d'expansion (9) est formée par un tuyau (2) disposé à l'intérieur du réser- voir de stockage. 4 ) - Installation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la commande (10) d'ouverture et fermeture complète des deux organes obturateurs est reliée à un organe (15) de four- niture d'une pression de consigne (Pc) comprise entre la pression (P0) du réservoir et la pression extérieure (P2), et elle comprend un organe comparateur (18) relié à cet organe de consigne (15) et à un organe (13) de mesure de pression de la chambre de transfert. - 12 - ) - Installation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la commande (10) d'ouverture et fermeture complète des deux organes obturateurs est reliée à un organe (14) de fourni- ture d'un signal de commande (C) de durée d'ouverture de l'organe obturateur d'entrée. ) - Installation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la commande (10) d'ouverture et de fermeture complète des deux organes obturateurs peut comprendre un organe de retard asso- cié à l'organe (18) comparateur de pression de consigne et de pression de chambre. 7 ) - Installation selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce que l'organe (15) de fourniture de pression de consigne est un organe réglable. ) - Installation selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe (11) de mesure de température du réservoir de stockage qui est relié à l'organe (15) de fourniture de pression de consigne. 90) - Installation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la sortie de la chambre de transfert (9) présente également un organe restricteur (7). ) - Installation selon la revendi- cation 9, caractérisée en ce que le premier organe restric- teur (5) est disposé en amont de l'obturateur d'entrée (6) et le second (7), en aval de l'obturateur de sortie (8).