Brevet FR2539211A1 — publié le 19840713

La présente invention concerne un dispositif de production de liquide cryogénique et plus particulièrement un dispositif destiné à distribuer un tel liquide à un dé- bit faible et précis à partir d'un réservoir de liquide cryogénique sous pression et jusqu'à un récepteur d'utili- sation qui est à la pression atmosphérique. On a déjà proposé un dispositif de distribution de liquides cryogéniques comportant un réservoir a niveau constant à isolation poussée au moyen d'une double paroi formant un espace interstitiel d'isolation empli de parti- cules isolantes entre un corps de réservoir interne et une enveloppe externe, dans lequel débouchent un conduit d'ad- mission et un conduit de soutirage inférieur, avec un moyen de réglage à niveau constant agissant sur une soupape d'admission du conduit d'admission et un moyen de réglage de débit d'utilisation agissant sur une soupape du conduit de soutirage Dans ce genre de dispositif, la soupape d'ad- mission joue le rôle de soupape de détente alors qu'un con- duit de dégazage des vapeurs produites lors de la détente du liquide cryogénique dirige ces vapeurs vers l'atmosphère environnante et maintient ainsi la production jusqu'à l'in- térieur du réservoir à une valeur constante. Dans les applications o l'on a besoin de débits relativement faibles mais variables selon le genre d'appli- cation désirée, il est essentiel que le dispositif soit stable, en particulier dans le temps et qu'à une position donnée de la soupape de soutirage corresponde un débit de liquide bien déterminé indépendamment des conditions exté- rieures qui prévalent au moment de l'utilisation tels que les conditions atmosphérique, d'humidité ambiante ou le rayonnement thermique, également indépendamment des condi- tions antérieures à ces utilisations telle que la mise en froid précédemment réalisée, couche de glace ou de givre sur les moyens de distribution, etc Comme, en outre, dans de nombreuses applications, on a besoin de débits 2 25392111 non seulement faibles, mais également de fonctionnement intermittent, les causes de perturbation qui ont été rap- pelées ci-dessus sont délicates à prendre en compte de ma- nière simple et l'objet de la présente invention est un dispositif de distribution de liquide cryogénique du type rappelé ci-dessus qui soit simple, robuste et fiable et dont les caractéristiques fonctionnelles sont constantes, de façon à permettre la distribution d'un débit de liquide cryogénique de faible valeur, constant, bien que très sou- vent intermittent. Selon l'invention, la soupape de soutirage est placée sur le conduit de soutirage à l'endroit de sa tra- versée dans l'espace interstitiel d'isolation, les moyens de commande de ladite soupape de soutirage étant du type à tige de commande qui s'étend dans ledit espace interstitiel d'isolation et s'engage dans une traversée étanche de l'en- veloppe externe Grâce à cette disposition essentielle se- lon laquelle la vanne d'isolation thermique est maintenue dans l'espace d'isolation-et à l'état froid, le flux ther- mique qui atteint le liquide cryogénique au travers de la vanne est au maximum de 5 watts (dans le cas par exemple d'un isolant "perlite" dont la conductibilité thermique est de 300 PW/cm K) Un tel flux thermique ne permet, par exemple, l'évaporation que de 115 cm 3 d'azote par heure, soit un débit de 20 1/h dans la vanne, soit du même ordre de grandeur qu'un débit très faible de liquide Au con- traire, dans le cas o la soupape de soutirage est mise à l'extérieur, le flux thermique agissant sur le liquide cryogénique présent au niveau de la vanne atteint facile- ment 50 à 100 watts selon les conditions opératoires du moment (coefficient d'échange dans l'air: 1 500 à 2.000 W/m 2 sans condensation d'air) Un tel flux augmente de façon considérable les pertes thermiques du dispositif de distribution, mais surtout, il provoque une évaporation intense du liquide dans la vanne qui vient gêner considé- 2539211 ' rablement la distribution réglée d'un débit désiré qui peut atteindre, par exemple, 0,3 1/nui. L'expérience a montré qu'avec la disposition selon l'invention, on obtient des caractéristiques de ré- glage de débit qui sont parfaitement fiables et qui se conservent de façon tout à fait indépendamment des condi- tions d'utilisation du dispositif. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à ti- tre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans les- quels la figure 1 est une vue en coupe verticale et axiale d'un dispositif de dissolution selon l'invention; les figures 2 à 5 sont des vues également en coupe ver- ticale et axiale de quatre détails de la figure 1, à échelle agrandie; la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation. En -se référant aux figures 1 à 5, un dispositif de distribution de liquide cryogénique selon l'invention comporte un réservoir 1 formé d'un corps de réservoir 2 et d'un couvercle 3 quelque peu excentré Le corps de ré- servoir 1 et le couvercle 3 sont tous deux à isolation poussée et à cet effet, le corps de réservoir 2 est cons- titué à double parois latérales 4 5 reliées entre elles par une plaque annulaire supérieure 6 et pat un double fond 7 et 8 Le couvercle 3 est également constitué à double paroi d'isolation thermique et incorpore un tube de dégazage 12 A cet effet, ce couvercle 3 comporte une pla- que supérieure 13 avec une large perforation 14 et une per- foration excentrée 15, la perforation axiale 14 servant de passage pour le tubede dégazage 12, tandis que la perfora- tion excentrée 15 sert de passage pour le tube d'admission de liquide cryogénique 11 A la plaque supérieure 13 est soudée une jupe annulaired'une paroi latérale extérieure 4 2539211 17 se poursuivant en un fond 18 A l'endroit de la perfo- ration excentrée 15 est soudée l'extrémité d'un tube 23 formant la partie externe du conduit d'amenée Il et qui enveloppe un tube central 24 pour le liquide cryogénique, dont une extrémité extérieure est équipée d'un raccord 25 et qui se prolonge au travers de l'épaisseur du couvercle 3 pour déboucher au travers de la paroi de fond 18 à l'en- droit d'un siège 30 de soupape 31, dont un clapet 32 est porté par une tige de commande verticale 339 cette tige de commande 33 étant montée sur un bras-support 34 solidaire d'un flotteur 35 Le flotteur 35 est lui-même monté à cou- lissement vertical libre sur un axe vertical 36 fixé à une extrémité supérieure à une plaque-support 37, elle-même solidarisée avec la paroi de fond 18 du couvercle 3 Entre le flotteur 35 et une bague d'appui 38 solidarisée à l'ex- trémité basse de l'axe 36 est monté un ressort de compres- sion 39 compensant au moins partiellement le poids du flotteur 35. La plaque de fond 8 du réservoir intérieur 9 est pourvue d'une perforation 40 sur laquelle est soudé un tube de soutirage 41 de forme coudée et qui s'étend hori- zontalement avec un joint de dilatation 42 jusqu'à parve- nir dans une zone située à l'aplomb d'une partie de forte distance radiale de l'interparoi 4 5 du corps de réser- voir 2 A cet endroit, le tube de soutirage 41 débouche dans un manchon vertical 43 s'étendant sur toute la hau- teur des parois latérales 4 5 du corps de réservoir 2 et est fixé à son extrémité supérieure à un orifice excen- tré 44 de la plaque supérieure 6 A son extrémité infé- rieure, le manchon 43 incorpore un siège 44 d'une soupape qui communique avec un embout de soutirage 46 à un joint de dilatation 47 s'étendant au travers de l'interpa- roi de fond 7 8 jusqu'à un raccord extérieur 48 Le siège 44 de la soupape 45 coopère avec un clapet de soupape 50 monté par l'intermédiaire d'un ressort 51 en bout d'une 2539211 ' tige 52 montée à coulissement axial dans le manchon 43 au travers de la paroi 6 La tige 52 est soumise vers l'ex- térieur à l'action d'un ressort de compression 55 monté entre un épaulement inférieur 56 de la jonction 54 et une colerette supérieure 57 Cette tige de soupape 52 coopère par une molette 58 avec une came 59 commandée à rotation par un moteur électrique non représenté Dans la position indiquée à la figure, la came 59 est en position maximale d'action et la tige 5-2 en position la plus basse possi- ble, qui met en contact de fermeture le clapet 50 avec le siège 44, les petites variations dûes à la dilatation étant compensées par le ressort 51. Ainsi qu'on le voit, la rotation du moteur qui commande la came tourne dans le sens de la flèche F et as- sure alors une montée progressive de la tige de soupape 52, donc-une ouverture correspondante de la soupape 45. En se référant plus particulièrement à la figure on voit que le tube de dégazage 12 est équipé ici, à son extrémité extérieure recourbée 12 a d'une soupape 60 constituée essentiellement d'un volet 61 monté à rotation autour d'un axe 62 et soumis à l'action d'un contre poids 63 réglable en position sur une tige coudée 64, le tout de façon qu'en l'absence d'une pression supérieure à la pression atmosphérique dans le conduit de dégagement 12, le volet 61 soit en position de fermeture. Au contraire, si une pression se développe à l'intérieur du conduit de dégazage 12, le volet 61 tend à s'ouvrir, sous l'effet de cette pression, par rotation autour de l'axe 62, et l'instant de cette ouverture peut être réglé en rapprochant ou en déplaçant le contre poids 63 le long de la tige 64. La variante de réalisation de la figure 6 se dis- tingue de la précédente en ce que; pour des raisons d'en- combrement, les moyens d'actionnement de la soupape de soutirage 45 sont inclinés sur la verticale et s'étendent 6 2539211 i non plus au travers de la plaque 6 mais au travers de la paroi latérale 4 A cet effet, on a dû souder autour d'une ouverture elliptique 70 un manchon 71 avec un fond supérieur 72 servant de support au moyen de commande de soupape 73 à tige 74 commandée par came 75 et moteur élec- trique 76. L'invention s'applique à la délivrance de débits relativement faibles de gaz liquéfiés, par exemple d'azote ou d'argon pour l'inertage de métaux en fusion, notamment de jets de coulée. 7 539211 REVENDICATIONS 1 Dispositif de distribution de liquide cryo- génique, comportant un réservoir à niveau constant à iso- lation poussée au moyen d'une double paroi formant un es- pace interstitiel d'isolation empli de particules isolan- tes entre un corps de réservoir interne et'une enveloppe externe, dans lequel débouchent un conduit d'admission et un conduit de soutirage inférieur, avec un moyen de réglage à niveau constant agissant sur une soupape d'admission et un moyen de réglage de débit d'utilisation agissant sur une soupape du conduit de soutirage, caractérisé en ce que la soupape de soutirage est placée sur le conduit de souti- rage à l'endroit de sa traversée dans l'espace intersti- tiel d'isolation, les moyens de commande de ladite soupape de soutirage étant du type à tige de commande qui s'étend dans ledit espace interstitiel d'isolation et s'engage dans une traversée étanche de l'enveloppe externe. 2 Dispositif de distribution selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la vanne de soutirage est placée en position basse et en ce que le moyen de-com- mande comprend une tige de commande à extension longitudi- nale dans l'espace d'isolation jusqu'à une traversée étan- che ménagée dans une partie supérieure d'enveloppe. 3 Dispositif de distribution de soutirage se- lon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne de soutirage est placée en position basse et en ce que le moyen de commande comprend une tige de commande à extension inclinée par rapport aux parois latérales d'isolation ther- mique jusqu'à une traversée latérale de l'enveloppe externe. 4 Dispositif de distribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réservoir comporte un couvercle à double paroi d'isola- tion, qui est équipé d'un conduit de dégazage à extrémité externe recourbée vers le bas et pourvue d'une soupape de dégazage à volet d'ouverture réglable par contre-poids. 8 2539211 i Dispositif de distribution selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que le couvercle à double paroi d'isolation est équipé d'un passage pour la récep- tion du tube interne du conduit d'admission de liquide cryogénique à double paroi, dont la paroi externe est sou- dée à la paroi externe dudit couvercle. 6 Dispositif de distribution selon la reven- dication 4 ou 5, caractérisé en ce que le moyen de réglage à niveau constant incorpore un flotteur monté sur une tige longitudinale solidarisée à la paroi intérieure du couver- cle, ledit flotteur étant équipé d'un bras de commande à clapet coopérant avec un siège de soupape ménagée au dé- bouché interne du tube d'admission du liquide cryogénique.