Brevet FR2703292A1 — publié le 19941007

INSTALLATION ET PROCEDE DE DECOUPAGE PAR JET DE FLUIDE CRYOGENIQUE. La présente invention concerne une installation et un procédé de découpage par jet de fluide cryogénique. Ce procédé de découpage s'apparente aux procédés de découpage à jet d'eau haute-pression ou à jet de fluide chargé de particules abrasives. I1 présente l'avantage de ne pas humidifier le matériau découpé, ce qui est particulièrement avantageux pour la découpe d'aliments, ou de matériaux hydrophiles. Par ailleurs, la température d'ébullition des fluides cryogéniques est généralement nettement inférieure à OOC à la pression atmosphérique. Le procédé est de ce fait particulièrement adapté à la découpe de produits congelés. On a décrit dans l'art antérieur un procédé de découpe par jet volatil. En particulier, le brevet français nO 2.647.049 décrit un procédé de découpe de matériaux par un fluide, maintenu sous basse pression dans un réservoir, et comprimé à haute pression pour former un jet qui se volatilise après avoir découpé le matériau. Le but de la présente invention est d'améliorer ce procédé, notamment par un accroissement de l'efficacité de la découpe. L'invention concerne plus particulièrement une installation de découpage par jet de fluide cryogénique comportant un réservoir de stockage du liquide cryogénique à basse pression, un compresseur haute-pression, une buse d'éjection reliée par des conduits calorifugés, ainsi qu'un échangeur de chaleur disposé entre le réservoir de stockage et la buse d'éjection pour le refroidissement du fluide éjecté à une température de consigne constante. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur est asservi au signal délivré par un capteur de température disposé à l'entrée du compresseur haute-pression. Ce mode de réalisation permet de garantir la permanence de l'efficacité mécanique du jet. Selon un mode de réalisation préféré, l'échangeur de chaleur est disposé entre le réservoir de stockage et le compresseur haute-pression. Selon une première variante, l'échangeur de chaleur est constitué par une enceinte contenant de l'azote liquide reliée à une pompe à vide provoquant la détente de l'azote liquide contenue dans ladite enceinte. Selon une deuxième variante, l'échangeur de chaleur comporte un circuit primaire dans lequel circule le fluide cryogénique provenant du réservoir de stockage, ledit circuit primaire étant relié thermiquement à un circuit secondaire dans lequel circule un fluide provenant d'un cryognérateur. Avantageusement, l'échangeur de chaleur est commandé par un circuit électronique relié au capteur de température disposé à l'entrée du compresseur hautepression, et comportant un moyen de réglage pour l'ajustement d'une valeur de consigne fixée expérimentalement. De préférence, le circuit électronique comporte un comparateur dont l'une des entrées reçoit le signal provenant au capteur de température et l'autre entrée inverseur reçoit une tension de consigne provenant du moyen d'ajustage de la température de consigne. L'invention concerne également un procédé de découpage par jet de fluide cryogénique comprimé à une pression supérieure à 500 bars et éjecté à travers un orifice calibré de faible diamètre. Selon ce procédé, on détermine expérimentalement la température de consigne du fluide cryogénique à l'entrée du compresseur hautepression par optimisation de l'efficacité mécanique du jet, et en ce que on maintient la température du fluide cryogénique égale à la valeur de consigne par un échangeur de température asservi. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins où: - la figure 1 représente une vue schématique de l'installation selon l'invention - la figure 2 représente un exemple de réalisation d'un circuit électronique pour le commande de l'échangeur de chaleur ; - la figure 3 représente le diagramme température-entropie du fluide cryogénique ; - la figure 4 représente une vue schématique d'une variante de l'installation selon l'invention. L'installation dont un exemple de réalisation est décrit en référence à la figure 1. Cette installation comporte un réservoir de stockage (1) de l'azote liquide à basse pression et à une température correspondant sensiblement à la température d'ébullition, soit à 77,30K à la pression atmosphérique. La température de l'azote liquide augmente en cours de stockage d'environ 0,50 par jour en raison des déperditions calorifiques résultant du défaut d'isolation. Ce réservoir (1) est constitué par un corps cylindrique à parois épaisses fermées par des flasques. Ce réservoir est relié par l'intermédiaire d'un conduit calorifugé (2) à un réservoir intermédiaire (3) de plus petite capacité. Une vanne (4) permet de commander le remplissage du réservoir intermédiaire (3). Un réservoir (5) d'azote gazeux contenant de l'azote à basse pression, par exemple à environ 30 bars, est également relié au réservoir intermédiaire (3). Ce réservoir (5) d'azote gazeux permet d'élever la pression de l'azote liquide contenue dans le réservoir intermédiaire (3) jusqu'à atteindre une pression suffisante pour le gavage du compresseur haute-pression qui suit. Classiquement, la pression de gavage est d'environ 30 bars. Pour atteindre cette pression, on commence par remplir le réservoir intermédiaire (3) par ouverture de la vanne (4). La vanne (7) disposée à la sortie du réservoir intermédiaire est fermée pendant ce temps. Lorsque la pression d'équilibre est atteinte, on ferme la vanne (4) disposée à l'entrée du réservoir intermédiaire (3) et on ouvre la vanne (6) reliant le réservoir d'azote liquide (5) au réservoir intermédiaire (3) . La pression de l'azote liquide du réservoir intermédiaire (3) augmente ainsi jusqu'à la pression de gavage. La vanne de sortie (7) peut alors être ouverte pour commencer un cycle de compression haute-pression. Le réservoir intermédiaire (3) est relié à un échangeur de température (8) alimenté en fluide primaire basse température par un cryogénérateur (9), par exemple stirling à hélium, ou par détente d'azote liquide. Cet échangeur de température (8) a pour fonction de réguler la température de l'azote alimentant le compresseur haute-pression. Il est raccordé au compresseur haute-pression (12) par un conduit (10) muni d'une vanne (11) calorifugée. Un capteur de température (31) mesure la température du fluide cryogénique à l'entrée du compresseur haute-pression (12). Le signal délivré par le capteur de température (31) est comparé à un signal de consigne délivré par un dispositif de réglage (32) par un circuit électronique (33). Ce circuit électronique (33) commande le fonctionnement de l'échangeur de température (8) de façon à maintenir la température du fluide cryogénique alimentant le compresseur haute-pression (12) constante et égale à la température de consigne. Le compresseur haute-pression (12) est constitué par un intensificateur de pression mettant en oeuvre un piston à double-effet, présentant une tête (14) de grande section actionnée par de l'air comprimé provenant d'un réservoir (13) par l'intermédiaire d'un conduit (16) commandé par une vanne (17) . L'autre extrémité du piston est constituée par un pistonplongeur (15) d'une section réduite, communiquant avec une chambre (18) alimentée en azote liquide à basse pression. La sortie du surpresseur (12) alimente une buse d'éjection (19) comportant de façon connu un saphir percé par un orifice calibré. La tête d'éjection (20) est entourée d'un manchon isolant relié à une pompe à dépression (39) par un conduit (22) entouré d'un manchon d'isolation (23). De même, les différents conduits calorifugés sont reliés à la pompe à vide (39). La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un circuit électronique (33). Il est composé d'un amplificateur opérationnel différentiel (35) dont l'une des entrées reçoit le signal provenant du capteur de température (31) et dont l'autre entrée est reliée à une résistance variable (36) délivrant un signal de consigne. La sortie de l'amplificateur opérationnel (35) est reliée à un étage de puissance (36) commandant le fonctionnement du moteur du cryogénérateur. Le réglage de la température de consigne est réalisé comme suit: Après la mise en fonctionnement de l'installation de découpe, on dispose sur le plateau de découpe un échantillon normalisé, par exemple une plaquette en un matériau de référence, et d d'une épaisseur normalisée. On déplace ensuite l'échantillon sous le jet et on modifie la valeur de consigne en agissant de façon empirique sur le moyen de commande (32) en observant les modifications de la découpe. Le réglage optimum sera considéré comme atteint lorsque l'efficacité mécanique du jet sera maximalisée. Une solution consiste à observer la vitesse maximale de découpe en fonction du réglage de la valeur de consigne. La valeur maximale de découpe est déterminée par un asservissement du déplacement du plateau supportant l'échantillon à la traversée de l'échantillon par le jet de fluide cryogénique. Lorsque la valeur de consigne est déterminée, l'installation est opérationnelle pour un cycle d'utilisation. Le réglage doit être périodiquement revu, en raison des variations dues à l'échauffement du fluide cryogénique dans le réservoir de stockage. La figure 3 représente le diagramme température-entropie de l'installation. A 1 bar, la température pour l'azote liquide en équilibre avec la phase vapeur est de 77,350K. Si l'installation était parfaite et ne présentait aucune perte thermique, le cycle serait isentropique, et correspondrait à la droite verticale AA', le chemin AA' représentant la compression isentropique sans aucun échange avec l'extérieur au niveau du corps du surpresseur (12), et le chemin A'A représentant la sortie de jet d'azote liquide isentropique, sans échange avec l'extérieur au niveau de la buse (19). Dans les conditions réelles, chaque transformation entraîne un accroissement d'entropie. Afin d'obtenir un jet de sortie correspondant à un mélange de phase vapeur et de phase liquide, représenté sur le diagramme températureentropie par un point B', il est nécessaire de tenir compte des échanges et donc de fixer le point de fonctionnement initial en un point C de la courbe de séparation liquide-vapeur correspondant à une température initiale inférieure à la température d'ébullition. Si l'on part d'un point C correspondant à une température Te inférieure à 770K, par exemple 720K pour une pression Pe inférieure à 1 bar, par exemple 0,5 bar, la compression dans le surpresseur (12) est représentée par le chemin CD, traduisant un accroissement d'entropie par perte due aux échanges thermiques entre l'azote et la paroi du surpresseur (12). La détente se produisant au niveau de la buse (19) est représentée par le chemin DB faisant apparaitre les pertes thermiques dues au laminage. Au point B, la pression de vapeur est inférieure à 1 bar, et le fluide éjecté est donc totalement liquide, sans phase de vapeur. Si les pertes dans la buse (19) augmentent, le point de fonctionnement se déplace en B' correspondant à une pression de vapeur supérieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, le jet à la sortie de la buse est totalement vaporisé, et perd donc tout effet mécanique de coupe. Pour obtenir un effet de coupe maximal, on ajuste le point de fonctionnement C de l'azote introduit dans le surpresseur de manière à ce que le point de fonctionnement B" à la sortie de la buse (19) soit très légèrement au-delà du point d'équilibre correspondant à une température de 77,30K à la pression atmosphérique, de façon à ce que le fluide comporte une proportion de phase gazeuse comprise entre 1 et 20 % en volume. Le fluide se comportera ainsi comme un liquide chargé de bulles produisant un effet mécanique d'érosion au contact du matériau à découper. Le maintien du point de fonctionnement optimal B" sera obtenu par le contrôle de la température de refroidissement par l'échangeur de température (8). La figure 4 représente une variante de réalisation de l'installation. Le refroidissement de l'azote liquide avant l'entrée dans le surpresseur (12) est réalisé par circulation dans une enceinte (41) contenant de l'azote liquide provenant du réservoir de stockage (1). Cette enceinte est reliée à une pompe à vide (41) créant une dépression provoquant une détente de l'azote liquide, et donc un abaissement de la température. A titre d'exemple, une pression de 0,3 bars provoque un abaissement de la température de 80. Le capteur de température (31) délivre un signal à un circuit électronique (33) recevant par ailleurs un signal provenant d'un moyen de réglage (32) de la valeur de consigne. La sortie du circuit électronique (33) commande la fonctionnement de la pompe à vide, ainsi que le fonctionnement d'un vanne disposée entre la pompe à vide (41) et l'enceinte (41). L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif. Il est bien entendu que l'Homme de Métier sera à même de réaliser diverses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. EEVENDICATIONS 1 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique comportant un réservoir de stockage du liquide cryogénique à basse pression, un compresseur haute-pression (12), une buse d'éjection (19) reliée par des conduits calorifugés, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre un échangeur de chaleur (8) disposé entre le réservoir de stockage (1) et la buse d'éjection (19) pour le refroidissement du fluide éjecté à une température de consigne constante, ledit échangeur de chaleur étant asservi au signal délivré par un capteur de température (31) disposé à l'entrée du compresseur haute-pression (12). 2 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (8) est disposé entre le réservoir de stockage (1) et le compresseur hautepression (12) 3 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique selon la revendication 1 ou selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (8) est constitué par une enceinte (41) contenant de l'azote liquide reliée à une pompe à vide (41) provoquant la détente de l'azote liquide contenue dans ladite enceinte. 4 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique selon la revendication 1 ou selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (8) comporte un circuit primaire dans lequel circule le fluide cryognéique provenant du réservoir de stockage (1), ledit circuit primaire étant relié thermiquement à un circuit secondaire dans lequel circule un fluide provenant d'un cryognérateur. 5 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (8) est commandé par un circuit électronique relié au capteur de température (31) disposé à l'entrée du compresseur haute-pression, et comportant un moyen de réglage pour l'ajustement d'une valeur de consigne fixée expérimentalement. 6 - Installation de découpage par jet de fluide cryogénique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le circuit électronique comporte un amplificateur différentiel (37) dont l'une des entrée reçoit le signal provenant au capteur de température (31) et l'autre entrée inverseuse reçoit un signal de consigne (35) provenant du moyen d'ajustage de la température de consigne. 7 - Procédé de découpage par jet de fluide cryogénique comprimé à une pression supérieure à 500 bars et éjecté à travers un orifice calibré de faible diamètre, caractérisé en ce que l'on détermine expérimentalement la température de consigne du fluide cryogénique à l'entrée du compresseur haute-pression par optimisation de l'efficacité mécanique du jet, et en ce que l'on maintienne la température du fluide cryogénique égale à la valeur de consigne par un échangeur de température asservi.