Brevet FR2555666A1 — publié le 19850531

L'invention concerne un dispositif destiné à alimenter en hydrogène un moteur à hydrogène qui comprend un réservoir cryogénique pour hydrogène liquide ainsi qu'une pompe qui présente une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, l'ouverture d'entrée étant en communication avec l'hydrogène liquide contenu dans le réservoir cryogénique, et l'ouverture de sortie étant reliée à une conduite d'alimentation qui mène au moteur à hydrogène. Dans les dispositifs d'alimentation en hydrogène comportant un stockage cryogénique de l'hydrogène liquide pour moteurs à hydrogène, en particulier pour moteurs à hydrogène à formation interne du mélange, c'està-dire pour les moteurs dans lesquels, de même que dans un moteur Diesel, l'hydrogène est insufflé au point mort haut sous des pressions élevées, il est connu que les pompes sont des pompes à hydrogène liquide à haute pression logées à l'intérieur du réservoir cryogénique et qui sont constamment maintenues dans un état refroidi à la température de service, qui est dans le voisinage du point d'ébullition de l'hydrogène.Ceci garantit que, même après des interruptions de travail relativement longues, les pompes à hydrogène liquide à haute pression sont aussitôt prêtes à l'utilisation et peuvent alimenter le moteur à hydrogène en hydrogène débité sous une pression élevée (30-100 bars et plus). Les inconvénients de cet arrangement consistent dans le fait que, lorsqu'on doit loger la pompe à hydrogène liquide à haute pression dans le réservoir cryogénique, ce dernier doit nécessairement être muni de grandes ouvertures, de sorte que l'isolation du réservoir est fortement amoindrie. Par ailleurs, les canalisations de liaison qui mènent dans le réservoir cryogénique et qui sont nécessaires pour le fonctionnement de la pompe à hydrogène liquide à haute pression constituent des ponts thermiques supplémentaires. Ceci conduit au fait que les vitesses de vaporisation des petits réservoirs cryogéniques pour hydrogène liquide pouvant être utilisés pour les véhicules automobiles, qui sont déjà de toute façon très élevées en l'absence d'une dépense de construction particulière, sont encore considérablement augmentées. Par ailleurs, la pompe à hydrogène liquide à haute pression logée dans le réservoir cryogénique est difficilement accessible, de sorte que les opérations de réglage qui doivent être exécutées sur cette pompe dans les conditions de service sont ainsi rendues beaucoup plus difficiles et que, pour l'exdcution des travaux d'entretien, on doit extraire la pompe du réservoir cryogénique. L'invention se donne pour but de perfectionner un dispositif d'alimentation en hydrogène du genre en question de telle manière que les vitesses de vaporisation du réservoir cryogénique soient plus faibles et que la pompe à hydrogène liquide à haute pression soit facilement accessible. Selon l'invention, ce problème est résolu dans un dispositif d'alimentation en hydrogène du genre décrit au début par le fait que la pompe est agencée à l'extérieur du réservoir cryogénique dans un conteneur cryogénique et en ce qu'il est prévu une conduite de refroidissement servant à introduire de l'hydrogène gazeux froid du réservoir cryogénique dans le conteneur cryogénique et à refroidir la pompe. Grâce à cette disposition du réservoir cryogénique et de la pompe, le réservoir cryogénique peut être réalisé avec l'isolation thermique optimale et les ponts thermiques dus aux canalisations de liaison aboutissant à la pompe sont supprimés, de sorte que le réservoir cryogénique possède une vitesse de vaporisation beaucoup plus faible. L'hydrogène gazeux froid qui se forme encore en dépit de cette plus faible vitesse de vaporisation peut être utilisé avantageusement dans le dispositif selon l'invention pour refroidir la pompe logée dans le conteneur cryogénique, en particulier pendant les temps d'arrêt du véhicule. Par ailleurs, la pompe est sensiblement plus facilement accessible pour les opérations d'entretien et de réglage. Dans un exemple préféré de réalisation de l'invention, on prévoit avantageusement, pour aspirer l'hydrogène gazeux du conteneur cryogénique, une pompe à gaz auxiliaire qui présente une conduite d'aspiration débouchant dans le conteneur cryogénique et une conduite de sortie du gaz. Cette disposition permet d'obtenir une plus grande puissance de refroidissement dans le conteneur cryogénique par un accroissement du débit d'hydrogène gazeux froid, de sorte qu'en-cas de besoin, la pompe peut être refroidie plus rapidement. Dans cette construction, il est avantageux que la conduite de sortie du gaz de la pompe à gaz auxiliaire débouche dans une conduite d'aspiration qui mène de la pompe au réservoir cryogénique. De cette façon, lorsqu'il a parcouru le conteneur cryogénique l'hydrogène est renvoyé au réservoir cryogénique, de sorte qu'on obtient un circuit de refroidissement fermé et qu'il ne se produit pas de perte d'hydrogène. Par ailleurs, l'hydrogène gazeux réchauffé contenu dans le conteneur cryogénique, qui est renvoyé dans le réservoir cryogénique en passant par la conduite d'aspiration, qui plonge dans l'hydrogène liquide, est à nouveau refroidi en barbotant à travers l'hydrogène liquide.Un autre avantage de l'utilisation de la conduite d'aspiration pour le retour de l'hydrogène gazeux consiste en ce que le nombre des conduites débouchant dans le réservoir cryogénique et qui forment des ponts thermiques est réduit dans toute la mesure possible. Dans le cadre de la présente invention, il est avantageux d'intercaler un premier organe d'arrêt dans la conduite de refroidissement qui relie le réservoir cryogénique au conteneur cryogénique. Ceci permet de supprimer le refroidissement de. la pompe par l'hydrogène gazeux, par exemple, lorsque la pompe refoule l'hydrogène liquide et que, de cette façon, elle est directement refroidie par lthy*irogene liquide qui la traverse ou encore lorsque la pompe doit être réchauffée. Par ailleurs, il est avantageux d'intercaler un deuxième organe d'arrêt dans la conduite d'aspiration de la pompe. De cette façon, le réservoir cryogénique peut être fermé, par exemple, conjointement avec le premier organe d'arrêt, pendant les temps d'arrêt du vehicu- le. Dans un autre exemple de réalisation, il est prévu qu'une conduite à sens de circulation unique qui est piquée sur la conduite de refroidissement entre le premier organe d'arrêt et le conteneur cryogénique débouche dans la conduite d'aspiration de la pompe avec interposition d'un clapet anti-retour qui ne laisse passer qu'un courant gazeux circulant dans le sens qui part de la conduite de refroidissement. Cette conduite à sens de circulation unique offre en supplément la possibilité de faire également pomper par la pompe de l1hydrogène gazeux pris dans le réservoir cryogénique dans certains cas particuliers tout en empêchant cependant l'hydrogène gazeux de passer de la conduite d'aspiration à la conduite de refroidissement, et en évitant que le circuit de refroidissement du conteneur cryogénique ne soit ainsi court-circuité. Un exemple particulier de réalisation est caractérisé en ce qu'il comprend une commande qui, pour assurer le refroidissement de la pompe, ouvre le premier organe d'arrêt et le deuxième organe d'arrêt et, en même temps, met la-pompe à gaz auxiliaire en marche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé qui est une représentation schématique d'un dispositif d'alimentation en hydrogène selon l'invention. Le dispositif comprend un réservoir cryogénique 10 qui est partiellement rempli d'hydrogène liquide 12. Une conduite d'aspiration 14 qui plonge dans l'hydrogène liquide 12 à l'intérieur du réservoir cryogénique 10 conduit à une ouverture d'entrée d'une pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 et présente un organe d'arrêt 18 intercalé entre le réservoir cryogénique 10 et la pompe 16. L'ouverture de sortie de la pompe 16 est munie d'une conduite d'alimentation 22 qui mène à un moteur à hydrogène 20 (représenté simplement schématiquement sur le dessin) et qui présente un clapet anti-retour 24 qui ne donne le passage que dans le sens allant vers le moteur à hydrogène 20. Par ailleurs, un organe d'arrêt 26 est intercalé entre ce clapet et le moteur à hydrogène 20. Entre le clapet anti-retour 24 et l'organe d'arrêt 26, est piquée sur la conduite d'alimentation 22 une conduite à sens de circulation unique 30 qui mène à un accumulateur intermédiaire 28 pour l'hydrogène gazeux. Une autre conduite à sens de circulation unique 34 munie d'un clapet anti-retour 36 mène de l'accumulateur intermédiaire 28 à la conduite d'alimentation 22 et débouche dans cette dernière entre le piquage de la conduite à sens de circulation unique 30 et l'organe d'arrêt 26. Pour le refroidissement de la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 logée dans un conteneur cryogénique 38, il est prévu une conduite de refroidissement 40 qui mène du réservoir cryogénique 10 au conteneur cryogénique 38 et qui débouche dans une bulle d'hydrogène gazeux qui est contenue dans le réservoir cryogénique 10 au-dessus de l'hydrogène liquide 12. Par ailleurs, la conduite de refroidissement 40 présente un organe d1ar- rêt 42 destiné au réglage du débit. Une pompe à gaz auxi liaire 44 munie d'une conduite d'aspiration 46 et d'une conduite de sortie 48 est agencée de manière que la conduite d'aspiration 46 débouche dans le conteneur cryogénique 38 et que la conduite de sortie 48 débouche dans la conduite d'aspiration 14 entre l'organe d'arrêt 18 et la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16. Entre l'organe d'arrêt 42 et le réservoir cryogénique 38, est piquée sur la conduite de refroidissement 40 une conduite à sens de circulation unique 50 comprenant un clapet anti-retour 52 et qui débouche dans la conduite d'aspiration 14 entre le débouché de la conduite de sortie 48 et la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16. La commande de l'organe d'arrêt 18 intercalé dans la conduite d'aspiration 14, de l'organe d'arrêt d'arrêt 26 intercalé dans la conduit-e d'alimentation 22 et de l'organe d'arrêt 42 intercalé dans la conduite de refroidissement 40 peut s'effectuer de différentes fa çons. C'est ainsi que, par exemple, les organes d'arrêt 18, 26, 42 peuvent être constitués par des vannes élec tromagnétiques qui peuvent être commandées électriquement. La pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 et ia pompe à gaz auxiliaire 44 peuvent être équipées d'entrainements différents. La pompe à gaz auxiliaire 14 peut de préférence être équipée d'un entratnement électrique et la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 d'un entratnement hydraulique. Lorsque le moteur à hydrogène 20 est à l'arrêt et que le dispositif d'alimentation en hydrogène est à l'arrêt, les organes d'arrêt 18, 42, 26 sont fermés. La pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 logée dans le conteneur cryogénique 38 n'est pas refroidie et, en conséquence, elle s'échauffe. Etant donné que, lorsqu'elle atteint des températures supérieures à la température de service, qui se trouve dans le voisinage du point d'ébullition de l'hydrogène liquide, la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 ne travaille pas convenablement et que, de cette façon, elle ne peut pas débiter l'hydrogène avec la haute pression nécessaire pour le travail du moteur à hydrogène 20, cette pompe doit être refroidie à la température de service avant le démarrage du moteur à hydrogène 20. Pour cela, on ouvre l'organe d'arrêt 42 intercalé dans la conduite de refroidissement 40, l'organe d'arrêt 48 intercalé dans la conduite d'aspiration 14 et, en même temps, on met en marche la pompe à gaz auxiliaire 44. L'hydrogène gazeux froid qui se trouve à l'intérieur du réservoir cryogénique 10, dans la bulle de gaz qui surmonte l'hydrogène liquide 12, est aspiré vers le conteneur cryogénique 38 par l'intermédiaire de la conduite de refroidissement 40 et, là, il lèche la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16, de sorte que cette dernière est ainsi refroidie. L'hydrogène gazeux ainsi réchauffé est alors aspiré du conteneur cryogénique 38 par la pompe à gaz auxiliaire 44, en passant par la conduite d'aspiration 46 et refoulé dans la conduite d'aspiration 14 en passant par la conduite de sortie 48.De là, il revient au réservoir cryogénique 10 en passant par la conduite d'aspiration 14 qui plonge dans l'hydrogène liquide 12 et, il est alors insufflé à travers l'hydrogène liquide 12 de sorte qu'il est refroidi par ce dernier et qu'il est à nouveau disponible dans la bulle de gaz pour servir de fluide de refroidissement. Ce processus de refroidissement est prolongé au moins jusqu'à ce que la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 ait atteint à peu près sa température de service et qu'elle soit en mesure de fournir au moteur à hydrogène 20 de l'hydrogène possédant la haute pression nécessaire, de sorte que ce dernier peut être lancé après la mise en marche de la pompe 16 et après l'ouver- ture de l'organe d'arrêt 26. L'accumulateur intermédiai re 28 sert alors de récipient de compensation de la pression de manière que la haute pression nécessaire puisse être établie avant le démarrage du moteur à hydrogène 20. Par ailleurs, avant l'arrêt du moteur à hydrogène 20, et si l'organe d'arrêt 2S intercalé dans la conduite d'alimentation 22 est fermé en temps voulu, de l'hydrogène peut être maintenu sous une pression élevée dans l'accumulateur intermédiaire 28, grâce au clapet anti-retour 24 intercalé entre l'accumulateur auxiliaire 28 et la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16, de sorte que cet hydrogène suffit pour le démarrage ultérieur du moteur à hydrogène 20 et que la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16, qui se trouve à la température de service n'a à être mise en marche qu'au moment du démarrage du moteur à hydrogène 20 ou juste après ce démarrage. Grâce à la conduite à sens de circulation unique 50, on dispose de la possibilité de refouler également de l'hydrogène gazeux au moyen de la pompe à hydrogène liquide à haute pression 16 refroidie à la température de service, cet hydrogène gazeux étant dans ce cas envoyé à la pompe 16 lorsque l'organe d'arrêt 18 intercalé dans la conduite d'aspiration 14 est fermé, et en passant par la conduite de refroidissement 40 et la conduite à sens de circulation unique 50. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non li imitatif r sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné à alimenter en hydrogène un moteur à hydrogène, qui comprend un réservoir cryogénique pour hydrogène liquide ainsi qu'une pompe qui présente une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie, l'ouverture d'entrée étant en communication avec l'hydrogène liquide contenu dans le réservoir cryogénique et l'ouverture de sortie étant munie d'une conduite d'alimentation qui mène au moteur à hydrogène, caractérisé en ce que la pompe (16) est agencée à l'extérieur du réservoir cryogénique (10), dans un conteneur cryogénique (38) et en ce qu'il est prévu une conduite de refroidissement (40) servant à introduire de l'hydrogène gazeux froid du réservoir cryogénique (10) dans le conteneur cryogénique (38) et à refroidir la pompe (16). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu, pour aspirer l'hydrogène gazeux du conteneur cryogénique (38), une pompe à gaz auxiliaire (44) munie d'une conduite d'aspiration (46) qui débouche dans le conteneur cryogénique (38) et d'une conduite de sortie du gaz (48). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite de sortie du gaz (48) de la pompe à gaz auxiliaire (44) débouche dans une conduite d'aspiration (14) qui mène de la pompe (16) au réservoir cryogénique (10). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un premier organe d'arrêt (42) dans la conduite de refroidissement (40) entre le réservoir cryogénique (10) et le conteneur cryogénique (38). 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un deuxième organe d'arrêt (18) intercalé dans la conduite d'aspiration (14) de la pompe (16). 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite à sens de circulation unique (50) qui est piquée sur la conduite de refroidissement (40) en un point situé entre le premier organe d'arrêt (42) et le conteneur cryogénique (32) et est équipée d'un clapet anti-retour (52) qui ne laisse passer un courant gazeux que dans le sens s'éloignant de la conduite de refoulement (40), cette conduite (50) débouchant dans la conduite d'aspiration (14) de la pompe (16). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4, 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend une commande qui, pour assurer le refroidissement de la pompe (16), ouvre le premier organe d'arrêt (42) et le deuxième organe d'arrêt (18) et, en même temps, met la pompe à gaz auxiliaire (44) en marche.