Brevet FR2562246A1 — publié le 19851004

"RESERVOIR A DOUBLE ENVELOPPE POUR LIQUIDE CRYOGENIQUE" La présente invention est relative aux réservoirs à double enveloppe destinés à cor?oeriir des liquides cryogéniques. I1 est connu de jauger le contenu des réservoirs cryogéniques par pesée, en vue de gérer les livraisons des liquides cryogéniques et d'en assurer la facturation. Pour cela, le réservoir est posé sur une bascule ; à chaque instant, la pesée permet de connaître le niveau du liquide, et une double pesée, avant et après chaque livraison, permet de déterminer la quantité de liquide livrée. Cependant, cette technique n'est pas satisfaisante lorsqu'il s'agit de réservoirs de liquides légers tels que l'hélium ou l'hydrogène liquide ayant une capacité relativement faible (par exemple inférieure à 15000 litres d'hydrogène liquide), du fait de la disproportion entre le poids du liquide et celui du réservoir formant la tare. De plus, lorsque le réservoir est installé en plein air, l'eau de pluie, la neige, le givre et le vent constituent des sources supplémentaires d'imprécision. L'invention a pour but d'apporter une solution industriellement satisfaisante au problème du jaugeage de tels réservoirs de liquides cryogéniques légers. A cet effet, elle a pour objet un réservoir à double enveloppe pour liquide cryogénique, caracténsé en ce que l'enveloppe intérieure est mcntée librement mobile dans le sens vertical dans l'enveloppe extérieure et est portée par celle-ci par l'intermédiaire d'un dispositif dynamométrique. De préférence, le dispositif dynamométrique est monté entre un support fixe solidaire de l'enveloppe extérieure et une pièce mobile solidaire d'une première extrémité d'un soufflet étanche, l'autre entre mité de ce soufflet étant fixée autour d'une ouverture de l'envelcppe extérieure. On peut ainsi démonter le dispositif dynamométrique sans perturber la partie cryogénique du réservoir. Dans un compromis avantageux entre la précision de la pesée et le cott du réservoir, les tuyaux d'alimentation et de soutirage disposés dans 1 'espace annulaire sous vide qui sépare les deux enveloppes sont fiés rigidement à une extrémité à l'enveloppe intérieure et à l'autre extrémité à l'enveloppe extérieure et présentent chacun une configuration @inueuse qui leur confère de la souplesse dans le sens vertical. Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un réservoir cryogénique conforme à l'invention - la figure 2 est une vue de détail de la partie supérieure de ce réservoir - les figures 3 et 4 sont des vues analogues à la figure 1 de deux autres modes de réalisation du réservoir suivant l'invention ; et - les figures 5 à 7 représentent schématiquement diverses configurations de tuyauteries pour de tels réservoirs. Le réservoir représenté à la figure 1, d'axe général X-X vertical, ooaprend une enveloppe extérieure 1 reposant sur le sol par l'intermédiaire de pieds 2, une enveloppe intérieure 3 séparée de l'enveloppe 1 par un espace annulaire sous vide 4 d'épaisseur à peu prs uniforme, et un dispositif de liaison 5 au aryen duquel l'enveloppe 3 est suspendue à l'enveloppe 1. Chaque enveloppe est constituée d'une virole cylindrique munie à chaque extrémité d'un fond à section elliptique bombé vers l'extérieur. Le réservoir ccwporte également des tuyaux d'alimentation et de soutirage qui n'ont pas été représentés aux figures 1 à 4 dans un but de clarté mais. qui seront décrits plus loin en regard des figures 5 à 7. A sa base et à son sommet, l'enveloppe 1 est pourvue d'un collet cylindrique 6 d'axe X-X dans lequel est fixée par collage une extrémité d'un tube de guidage 7 constitué d'une matière thermiquement isolante. L'extrémité intérieure de ce tube pénètre avec un jeu radial dans un collet cylindrique 8 fixé sur le fond adjacent de 11 enveloppe 3. Le dispositif de liaison 5, qui apparaît mieux sur la figure 2, comprend essentiellement un soufflet 9, un tirant 10 en matière thermi- quement isolante, un dynamomètre 11 travaillant en traction et une cloche 12. Plus précisément, le soufflet 9 est dilatable verticalement ; son extrémité inférieure est fixée à joint étanche sur la périphérie d'un orifice d'axe X-X prévu au sommet de l'enveloppe 1, tandis que son extré- mité supérieure est fixée à joint étanche sur la périphérie d'une plaquette horizontale 13. La plaquette 13 porte deux chapes, l'une 14 sur sa face infE- rieure et l'autre 15 sur sa face supérieure. Un embout supérieur 16 du tirant 10 est articulé sur la chape 14, tandis qu'un embout inférieur 17 du ne"e tirant porte une autre chape 18 articulée sur un axe solidaire du sommet de l'enveloppe intérieure 3. Les deux axes d'articulation sont perpendiculaires l'un à l'autre. De même, le dynamomètre 11, qui a une forme générale cylindrique et est constitué par un capteur de force de tout type approprié disponible dans le commerce, est articulé par son extrémité inférieure sur la chape 15, autour d'un premier axe, et par son extrémité supérieure sur une autre chape 19 autour d'un axe perpendiculaire. La cloche 12 s'appuie sur la partie supérieure de l'enveloppe 1 en entourant le soufflet 9 et le dynamomètre il, son centrage étant assure par trois plots 20 portés par cette enveloppe. Un boulon 20 traverse un trou ménagé au fond de la chape 19 et un autre trou prévu au sommet de la cloche 12. La tette de ce boulon s'appuie sur le fond de la chape 19, et un écrou 21 est vissé sur son extrémité supérieure, qui dépasse de la cloche 12. Du dynamomètre 11 partent des fils électriques 22 qui traversent un orifice de la cloche et conduisent à un dispositif electronique 23 d'analysa et d'affichage (figure 1) disposé à distance dans un local approprié. On a encore représenté à la figure 2 des couches 24 de matériau thermiquement isolant enroulées autour de l'enveloppe 3, jusqu'aux collets 8, et autour des oollets 7. L'espace délixnité par chaque collet 7 et par l'enveloppe 1 est également empli d'une matière isolante (non représentée). En fonctionnement, l'écrou 21 est suffisamment vissé pour que l'enveloppe intérieure 3 soit suspendue au sommet de la cloche 12 par l'inteeeédiaire du tirant 10, du dynarnaétre 11 et du boulon 20. L'effort de traction qui s'exerce sur le dynamomètre est égal à la somme du poids du liquide (par exemple de l'hydrogène liquide) contenu dans l'enveloppe 3 et d'une tare fixe constituée pour l'essentiel par le poids de cette dernier. Cet effort est transmis au dispositif 23, qui peut affichir directement le poids de liquide et assurer d'autres fonctions telles que la facturation de l'utilisateur lors d'une livraison, l'appel pour une nouvelle livraison de liquide, l'arrêt du remplissage ou du soutirage, etc. Le réservoir ainsi décrit présents de nombreux avantages - par rapport aux dispositifs de pesée connus, la tare est réduite du poids de l'enveloppe extérieure. La précision est donc considérablement augmentée, notamment lorsque le poids de liquide est faible (liquidas légers, faible capacité du réservoir).De plus, l'absence de tout frottement, obtenue grâce au jeu suffisant prévu entre les tubes 7 et les collets 8, ainsi que l'absence de toute sollicitation en flexion ou en torsion du dispositif de suspension, obtenue grâce aux quatre chapes 14, 15, 18 et 19, constituent d'autres facteurs d'amélioration de la précision ; - l'équipage réellement pesé est protégé des agents de perturbation extérieurs (pluie, neige, givre, vent) sans qu'aucun bâtiment de protection soit nécessaire ; - le dispositif de pesée est facilement accessible par sinople démontage de i'ecrou 21. On peut alors le changer sans difficulté, sans que cela perturbe la partie cryogénique du réservoir.Lorsque le dynamcmbere est . démonté, l'enveloppe 3 repose sur le tube 7 inférieur, et le réservoir est transportable sans outillage particulier. Si le transport s'effectue en position couchée, le poids de l'enveloppe 3 est supporté par les deux tubes 7 ; - la seule liaison entre les deux enveloppes permettant les pertes thermiques par conduction est constituée par le tirant 10, et les couches d'isolant 24 ne subissent aucune oompression ; ceci améliore les performances thermiques du réservoir par rapport aux solutions connues ; - la construction du réservoir est facilitée par i' absence de double collage du collet 7 supérieur - il existe dans le commerce des capteurs de force comportant des sécu rités électriques (limitation de l'intensité du courant) compatibles avec les consignes de sécurité relatives à l'hydrogène et pouvant être équipés des alarmes nécessaires pour remplir les diverses fonctions citées plus haut. Les modes de réalisation du réservoir suivant l'invention illustrés aux figures 3 et 4 diffèrent du précédent par le fait que le dispositif dynaitcmétrique travaille en compression et non plus en traction. Ainsi, à la figure 3, où l'enveloppe 3 est encore suspendue, il est prévu plusieurs capteurs de force 1lA disposés autour du soufflet 9. Ces capteurs s'appuient sur un socle 25 disposé autour de la base de ce soufflet, sur l'enveloppe 1, et sur ces capteurs prend appui une plaque horizontale 26. Cette dernière est percée d'un trou central à travers lequel passe avec un jeu radial une tige filetée articulée par son extrémité inférieure à la chape 15. Une rotule hémisphérique 27 est enfilée sur cette tige au-dessus de la plaque 26, et l'écrou 21 vient coiffer le tout. On remarque que dans ce mode de réalisation, la cloche 12 ne joue plus de rôle de support et sert seulement à protéger le dispositif de suspension de l'enveloppe 3. Dans le iode de réalisation de la figure 4, au contraire, l'enveloppe 3 repose sur le dispositif dynamométrique, lequel est constitué par un capteur de force central llB travaillant en compression. Un ensemble 6 - 7 - 8 identique à celui des figures 1 à 3 est prévu au sommet des deux enveloppes, mais le tirant 10 est supprimé et l'enveloppe 1 fermée à son sommet. Un second collet 8 est fixé sur le fond inférieur de l'enveloppe 3 et guide avec un petit jeu radial un tube thermiquement isolant 7 dont l'extrémité inférieure est fixée par collage à une plaque d'appui 26B. Un soufflet 9B relie la périphérie de cette plaque à celle d'une ouverture prévue à la base de l'enveloppe 1, laquelle ouverture est traversée par le tube 7. Une cloche inverse 12B entourant la plaque 26B et le dynamo- mètre llB est fixée à l'enveloppe 1 autour du soufflet 9B ; elle comporte à mi-hauteur une collerette intérieure 28 sur laquelle fait saillie vers le haut un court cylindre 29 qui guide latéralement la plaque 26B. La base de cette cloche est forme par un bouchon vissé 30. Lorsque le bouchon 30 est vissé, la plaque 26B est soulevée de la collerette 28, et le capteur llB assure la pesée comme précédemment. Lorsqu'il est devissé, l'enveloppe 3 repose sur la collerette 28, le capteur peut Être démonté et le réservoir transporté, éventuellement en position couchée. On remarque que si aucun transport n'est à prévoir, le tube 7 inférieur n'a pas besoin entre fixé sur la plaque 26B, un s simple guidage latéral étant alors suffisant. Par ailleurs, dans ce iode de réalisation, il est nécessaire que le tube 7 et le collet 8 supérieurs assurent un guidage du sommet de l'enveloppe 3, de sorte que le jeu radial entre eux doit être plus faible qu'aux figures 1 à 3. Si l'on veut éviter les frottements pouvant résulter d'un tel guidage, on peut, en variante, donner à l'enveloppe 3 un appui steble sur trois capteurs tels que 11B. Dans les divers modes de réalisation du réservoir suivant l'invention, il se produit un léger déplacement vertical de 1 enveloppe intérieure par rapport à ltenveloppe extérieure suivant la quantité de liquide stocké, du fait des variations de longueur des organes soumis à la traction et/ou à la compression, et un déplacement relatif plus important lors de la dépose du dispositif dynamométrique. Or le réservoir est équipé, dans l'espace annulaire 4 séparant les deux enveloppes 1 et 3, de tuyaux (non représentés aux figures 1 à 4 dans un but de clarté) destinés à permettre le remplissage et le soutrage.Certains de ces tuyaux partent du haut de l'enveloppe 3 (remplissage "en pluie", soutirage gazeux, etc...), d'autres de sa base (remplissage en source, soutirage liquide, etc...). Tous ces s tuyaux doivent être fixés rigidement par soudure aux deux enveloppes. Pour résoudre cette contradiction sans introduire de contraintes néfastes, on peut penser équiper ces tuyaux de soufflets. Cependant, on introduit alors des soudures supplémentaires et donc des zones de fragilité. Une solution plus avantageuse consiste à donner aux tuyaux une forme sinueuse qui leur confère une souplesse suffisante dans le sens vertical. Ainsi (figures 5 à 7), les tuyaux 31 reliant la base de l'enve- lippe 1 à celle de l'enveloppe 3 peuvent avoir une forme en "N" ; ceux 32 qui relient le sommet de l'enveloppe 3 à la base de l'enveloppe 1 peueent comporter une partie hélicoïdale à une spire (figure 5) ou à plusieurs spires (figure 6) entourant l'enveloppe intérieure, ou bien une partie en accordéon (figure 6). D'autres formes sinueuses sont bien entendu envisageables dans espace annulaire 4 séparant les deux enveloppes. On a pu obtenir, avec un réservoir transportable suivant l'invention, une précision de nesure de 0, 5 % pour une capacité de 2800 litres d'hydrogène liquide et de 0,2 % pour une capacité de 7500 litres d'hydrogène liquide. Il est à noter que l'on peut espérer améliorer encore ces performances ainsi que le coût du réservoir si l'on n'envisage pas de transporter ce dernier en position couchée. En effet, dans ce cas, l'un au moins des ensembles 6-7-8 peut être surprime. REVENDICATIONS 1. - Réservoir à double enveloppe pour liquide cryogénique, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (3) est rtontée librement mobile dans le sens vertical dans l'enveloppe extérieure (1) et est portée par celle-ci par l'intermédiaire d'un dispositif dynamométrique (11 ; 11A ; 11B). 2. - Réservoir suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif dynamométrique (11 ; 11A t llB) est monté entre un support fixe (12 ; 25 ; 30) solidaire de l'enveloppe extérieure (1) et une pièce mobile (13 ; 26 ; 26B) solidaire d'une première extrémité d'un soufflet étanche (9 , 9B), l'autre extrémité de ce soufflet étant fixée autour d'une ouverture de l'enveloppe extérieure (1). 3. - Réservoir suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (3) est suspendue à l'enveloppe extérieure (1) par son extrémité supérieure par l'intermédiaire du dispositif dynamométrique (11). 4. - Réservoir suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la suspension est effectuée au moyen d'un tirant (10) et de moyens (14, 15, 18, 19 ; 27) pour élzniner les efforts de torsion et de flexion. 5. - Réservoir suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du tirant (10) est accrochée à l'extrétnité inférieure du dispositif dynamométrique (11), lequel travaille en traction. 6. - Réservoir suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du dispositif dynamométrique (11) est accrochée au sommet d'une cloche (12) qui prend appui sur le sommet de l'enveloppe extérieure (1), le dispositif d'accrochage étant accessible depuis l'extérieur de la cloche. 7. - Réservoir suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du tirant (10) est accrochée à une plaque (26) qui prend appui sur le dispositif dynamométrique (11A), lequel travaille en compression. 2. - Réservoir suivant l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que l'enveloppe intérieure (3) est posée sur le fond inférieur de l'enveloppe extérieure (1) avec interposition da dispositif dynamométrique (11B), lequel travaille en compression. 9. - Réservoir suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend, à la base de l'espace (4) séparant les deux enveloppes (1, 3), un dispositif (6, 7, 8) d'appui temporaire de l'enveloppe intérieure (3), ce dispositif ccmrepenant un tube (7) en matière thermiquement isolante fixé par une extrémité à l'une des deux enveloppes et dont l'autre extrémité est engagée avec un jeu radial dans un collet (8) fixé sur l'autre enveloppe. 10. - Réservoir suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend, au sommet dudit espace, un dispositif (6, 7, 8) analogue audit dispositif d'appui temporaire. 11. - réservoir suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un tuyau (31, 32) d'alimentation ou de soutirage disposé dans l'espace (4) qui sépare les deux enveloppes (1,3) et fixé rigidement à une extrémité à l'enveloppe intérieure et à l'autre extrémité à l'enveloppe extérieure, caractérisé en ce que ce tuyau présente une configuration sinueuse qui lui confère de la souplesse dans le sens vertical. 12. -- Réservoir suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le tuyau (31, 32) comporte une partie qui fait au moins partiellement le tour de l'enveloppe intérieure, ou une partie en accordéon. 13. - Réservoir suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un tuyau (31, 32) d'alimentation ou de soutirage disposé dans l'espace (4) qui sépare les deux enveloppes (1,3) et fixé rigidement à une extrémité à l'enveloppe interieure et à l'autre extrémité à l'enveloppe extérieure, caractérisé en ce que ce tuyau est équipé d'un soufflet.