Brevet FR2599119A1 — publié le 19871127

DESCRIPTION la presente invention est relative à un procédé et un dispositif pour fournir de petites quantités d'un liquide cryogEnique, notamment d'azote liquide. La mattrise des tres faibles debits de liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, pose des problèmes spécifiques : le rapport entre les entrées de chaleur et le débit liquide les subissant est très défavorable, et l'écoulement est généralement très largement dipoasique au point d'utilisation, en dépit de toutes les précautions prises dans l'isolation thermique des lignes de transport et des accessoires. De tels écoulements sont difficiles à maîtriser : le liquide est dispersé par le gaz, l'écoulement est pulsatoire (alternance de liquide et de bouchons gazeux), et il est difficile de réguler dans de telles conditions. Ce type de fonctionnement est encore acceptable dans certaines applications où, au point d'utilisation, l'inertie du systBme utilisateur permet d'amortir les fluctuations de l'écoulement. Par contre, dans certains cas, le liquide doit être délivre au point d'utilisation de façon parfaitement continue et contrôlée, ou encore d'une façon périodique correspondant, par exemple, au traitement d'une succession d'éléments défilant à grande cadence sur une chatte et qui doivent recevoir chacun une quantité bien précise d'azote liquide dans un créneau de temps parfaitement déterminé.A titre d'exemple de tels cas, on citera le remplissage en gaz des amortisseurs, le refroidissement de lampes avant conditionnement sous gaz rare, ou certains conditionnements d'emballages, notamment la pressurisation de boîtes de conserves. Dans ces ces cas, un débit moyen stable n'est plus suffisant, il faut assurer la parfaite régularité instantanée du débit, ou de la séquence de débit, pour pouvoir assurer à chaque élement un traitement identique. L'invention a pour but de fournir un procodé et un dispositif permettant de délivrer de tres faibles quantités de liquide cryogénique monophasique à l'emplacement d'utilisation, en continu ou en séances contrôlées en fonction du temps. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour délivrer en un emplacement d'utilisation de petites quantités d'un corps à l'état de liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'on produit le liquide à proximité immédiate dudit emplacement par liquéfaction d'un courant du mamie corps à l'état gazeux au moyen d'un liquide frigorigene. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on fait passer le courant gazeux à une première pression dans un échangeur de chaleur refroidi par le même corps à l'état liquide et sous une seconde pression inférieure à cette première pression. L'invention a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il cceprend un récipient relié à une source d'un liquide frigorigène et dans lequel est dispose un échangeur de chaleur, cet échangeur comportant un passage qui est relié à l'attait par une conduite d'alimentation à une source dudit corps à l'état gazeux et qui débouche à 1 'aval à proximité immédiate dudit emplacement d'utilisation. Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels "a figure 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention; et Les figures 2 à 4 sont des vues analogues de trois variantes. Le dispositif représenté à la figure 1 est destiné à fournir en un emplacanent d'utilisation 1 un débit continu et faible d'azote liquide, par exemple de l'ordre de quelques litres par heure. Dans l'exemple illustré, ce filet d'azote liquide sert à délivrer à une succession de boîtes de conserve 2, remplies d'une boisson plate 3, portées par un convoyeur 4 et défilant à grande vitesse à l'oeplacement 1, une petite quantité bien déterminée d'azote liquide. Snrddiatement en aval de l'emplacement 1, un couvercle est serti sur chaque boite 2, et la vaporisation de 1' azote liquide assure une pressurisation de ces boites, ce qui permet leur manutention et leur transport sans risque de déforination, même si l'épaisseur de leur paroi est faible. Le dispositif comprend essentiellement un recipient thermiqueent isolé 5, disposé au-dessus de l'emplacement 1 et pou d'une conduite 6 d'amenée d'azote liquide, laquelle est équipée d'une électrovanne de laminage 7 fonctionnant en tout ou rien. Cette électrovanne est mandée par un contrôleur de niveau 8 à pression différentielle, ce qui assure le maintien dans le récipient 5 d'un bain d'azote liquide 9 à niveau à peu près constant. L'azote liquide arrive dans le récipient à la pression atmosphérique, et l'azote vaporisé est évacué à l'atmosphère par une conduite de dégazage 10 partant du scnmet du récipient 5. Le dispositif comprend également un serpentin 11 d'échange de chaleur entièrement imnergé dans le bain 9. A l1arront, ce serpentin est relié à une conduite 12 d'alimentation en azote gazeux équipée d'un détendeur 13 et reliee elle-même à une source d'azote gazeux sous pression. Entre le détendeur et le récipient 5, un échangeur de chaleur auxiliaire 14 peut être prévu pour mettre en relation d'échange thermique à contre-courant les conduites 10 et 12 et, ainsi, récupérer les frigories de l'azote vaporisé dans le récipient 5. A l'aval, la sortie du serpentin 11 est reliée à un tube capillaire 15 qui traverse le fond inférieur du récipient 5 et se termine en un point immédiatement adjacent à l'emplacement 1. "a conduite 6 est therniquement isolée, ainsi que la partie des conduites 10 et 12 située entre le récipient 5 et l'échangeur 14, tandis que la partie restante des conduites 10 et 12, étant à la teppérature ambiante, n'est pas thermiquement isolée. Dans l'extple représenté, la conduite 6 est reliée à la partie inférieure d'un réservoir 16 d'azote liquide de capacité très supérieure à celle du récipient 5, maintenu sous une pression de l'ordre 3 à 4 bars absolus, et la conduite 12 est également reliée à la partie inférieure du même réservoir 16 et est pourvue d'un vaporiseur-réchauffeur 12A. En variante, la conduite 12 pourrait être reliée à toute autre source d'azote sous pression, par exemple à un cadre de bouteilles. En fonctionnement, on veut délivrer à l'emplacement 1 un débit continu et faible d'azote liquide à la pression atmosphérique. Pour ce débit, le capillaire 15 produit une perte de charge déterminée, par exemple de 0,2 bar pour-un débit de 5 1/h, ce qui correspond à un tube de 1 mm de diamètre intérieur et de 0,5 m de long. On règle le détendeur 13 de façon à fournir l'azote gazeux au serpentin 11 sous 1,2 bar absolu. Sous cette pression, la température de liquéfaction de l'azote est suffisant supérieure à la temperature du bain 9, maintenu à la pression atmosphérique, pour que le passage du gaz dans le serpentin 11 provoque sa liquéfaction et, compte tenu de la longueur de ce serpentin, son sous-refroidissement, en vaporisant de 1' azote du bain 9. On obtient ainsi à l'emplacement 1 le filet d'azote liquide désiré, et le débit d'azote liquide peut être réglé très simplement par réglage du détendeur 13, qui est à la température ambiante. Ainsi, le réglage du débit d'azote liquide ne provoque aucune entrée de chaleur parasite au voisinage de l'e'placement d'utilisation. De plus, pour un tube capillaire 15 donné, on obtient un jet d'azote liquide directionnel ayant une vitesse initiale de sortie, vitesse qui peut-être réglée facilement, en même temps que le débit, par simple variation de la pression délivre par le détendeur 13. Les variantes des figures 2 à 4 canprennent les mêmes éléments et fonctionnent de la même manière que celles de la figure 1, bien que certains éléments (contrôleur de niveau 8, échangeur de chaleur auxiliaire 14, réservoir 16) aient été anis sur ces dessins pour plus de clarté. Elles n'en diffèrent que par les points suivants - Figure 2 : Le récipient 5 présente à sa partie inférieure un appendice tubulaire 17, en pente légèrement descendante, qui s'étend jusqu'à l'esplacement 1, lequel n'est plus à l'aplanb du récipient cxne à la figure 1. Le capillaire 15 s'étend dans cet appendice et sort à l'air libre à l'extrémite inférieure de celui-ci. De cette extrémité part un tube de recyclage vertical 18 qui débouche par un coude, à son extrémité supérieure, dans la partie supérieure du récipient 5. L'appendice 17 et le tube 18 sont thermiquement isolés à l'exception d'un petit tronçon 19 de ce tube. L'entrée de chaleur ainsi provoquée en 19 assure une convection permanente de l'azote liquide du récipient 5 à l'appendice 17, au tube 18 et de nouveau jusqu'au récipient. Ainsi, le capillaire 15 est constaiaent maintenu à la température de l'azote liquide jusqu'à l'emplacement 1, sans qu'aucun bouchon gazeux puisse se former. - Figure 3 : Juste en aval du détendeur 13, la conduite 12 est équipée d'une électrovanne 20 ; juste en aval de celleci, une conduite de dérivation 21 piquée sur la conduite 12 et équipée d'une électrovanne 22 débouche à l'air libre. Les électrovannes 20 et 22 sont camE:ndées simultanément de façon que lorsqu'une d'elles est or'erte, l'autre soit fermée. Ainsi, pour délivrer de l'azote liquide par le tubulaire 15, on ouvre 1 'électrovanne 20, ce qui correspond à la situation de la figure 1.Pour arrêter l'écoulement d'azote liquide, on ferme cette électrovanne 20 et on ouvre l'électrovanne 22, de sorte que le serpentin 11 est mis à I'atmosphère ; par suite, l'azote liquide contenu dans ce serpentin ne peut plus traverser le capillaire et la liquéfaction s'arrête. Cependant, une réserve d'azote liquide subsiste dans le serpentin 11, ce qui permet de reprendre instantanement la fourniture d'azote liquide par une nouvelle inversion des électrovannes 20 et 22. Cette variante permet donc d'obtenir un fonctionnement séquentiel précis du dispositif, avec des arrêts et reprises instantanés de l'écoulement d'azote liquide monophasique. - Figure 4 : Cette variante permet elle aussi d'arrêter et de reprendre à volonté l'écoulement d'azote liquide. Le récipient 5 comporte comme à la figure 2 un circuit appendice 17 - tube ascendant de retour 18, avec éventuellement une entrée de chaleur volontaire sur ce dernier. Le tube capillaire 15 suit l'appendice 17 et la partie verticale du tube 18, et sort de la partie supérieure de celui-ci, pour se terminer par une crosse dont l'ouverture finale 23 est dirigée vers le bas. Un tube coudé 24 est monté pivotant dans un joint tournant 25 prévu à 1 'extrémité supérieure du récipient 5 et comporte à son extrémité supérieure une coupelle 26. Dans une première position du tube 24, illustrée en trait plein, la coupelle 26 est disposée sous l'ouverture 23 ; l'écoulement permanent d'azote liquide est ainsi intercepté et renvoyé dans le récipient 5 par le tube 4. Dans une deuxième position, illustrée en trait mixte, la coupelle 26 est escamotée, et l'écoulement d'azote liquide parvient librement à l'emplacement d'utilisation 1, situé dans ce cas juste au-dessous de l'ouverture 23. REVENDICeICNS 1. Procédé pour délivrer en un emplacement d'utilisation (1) de petites quantités d'un corps à l'état de liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'on produit le liquide à proximité immédiate dudit emplacement (1) par liquéfaction d'un courant du meme corps à l'état gazeux au moyen d'un liquide frigorigène. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer le courant gazeux à une première pression dans un échangeur de chaleur (11) refroidi par le morne corps à l'état liquide (9) et sous une seconde pression inférieure à cette première pression. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite seconde pression est la pression atmosphérique. 4. Dispositif pour délivrer en un emplacement d'utilisation (1) de petites quantités d'un corps à l'état de liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient (5) relié à une source (16) d'un liquide frigorigène et dans lequel est disposé un échangeur de chaleur (11), cet échangeur comportant un passage qui est relié à l'amont par une conduite d'alimentation (12) à une source (16) dudit corps à 1' état gazeux et qui débouche à 1' aval à proximité immédiate dudit emplacement d'utilisation (1). 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide frigorigène est ledit corps à l'état liquide, et en ce que la conduite d'alimentation (12) colporte des moyens (13) pour réguler la pression du gaz sur une valeur supérieure à la pression régnant dans le récipient. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit passage débouche à l'extérieur du récipient (5) par l'intermédiaire d'un organe de création d'une perte de charge. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit organe (15) est adapté pour créer une perte de charge proportionnelle au débit qui le traverse et est notant un tube capillaire. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il canprend des moyens (20,22) pour, siJnultanement, interranpre l'alimentation en gaz de l'échangeur de chaleur (11) et ramener la pression régnant dans ledit passage à la valeur de la pression régnant dans le récipient (5). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le récipient (5) est pourvu à sa partie supérieure d'une conduite de dégazage (10) disposee en relation d'échange thermique (14) avec ladite conduite d'alimentation (12). 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le récipient (5) est pourvu à sa partie inférieure d'un appendice (17) traverse par la partie aval (15) dudit passage, des moyens, notaient à convection (18,19), étant prévus pour assurer en permanence une circulation du liquide frigorigène (9) dans cet appendice. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il ccoprend des moyens (24,26) pour ramener sélectivement dans le récipient (5) le liquide sortant dudit passage.