Brevet FR2731061A1 — publié le 19960830

l " Dispositif pour fournir un courant de gaz froid " L'invention concerne un dispositif pour former un courant de gaz froid par échange de chaleur entre un mi- lieu cryogénique et un fluide caloporteur. On utilise de plus en plus des courants de gaz froid dans les applications techniques les plus différen- tes. Il s'agit surtout d'applications pour lesquelles on ne souhaite pas la basse température d'un gaz liquéfié à très bas point d'ébullition comme par exemple de l'azote li- quide, du gaz naturel liquéfié ou de l'hydrogène liquide. Lorsqu'on utilise de l'hydrogène ou du gaz naturel comme support d'énergie pour l'entraînement de véhicule, le stockage en quantité suffisante représente la plus grande difficulté du fait de la faible densité du gaz. Alors que le stockage de gaz comprimé occupe un volume spécifique im- portant dans le réservoir et ne convient que pour des véhi- cules disposant d'un réservoir de grand volume, les moyens de stockage hybrides donnent un poids total élevé du sys- tème. La capacité de stockage qui en résulte limite le rayon d'action du véhicule. Les densités de stockage de loin les plus éle- vées s'obtiennent par un stockage cryogénique d'hydrogène liquéfié (LH2) ou de gaz naturel (LNG). Ce stockage permet de se rapprocher le plus de la capacité de stockage d'un réservoir classique de carburant. Le fluide cryogènique, liquide, stocké dans un réservoir de carburant, doit être fourni au moteur ou au moyen d'entraînement comme gaz froid. Usuellement la vapo- risation du fluide cryogénique liquide se fait par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur avec la chaleur d'un fluide caloporteur (DE-OS 43 02 556). Le fluide calo- porteur ou support de chaleur est l'eau de refroidissement disponible dans un véhicule automobile. L'eau de refroidis- sement est à une température comprise entre 700C et 900C. L'inconvénient de ce procédé simple est qu'il faut surchauffer le fluide cryogènique vaporisé, car l'eau de refroidissement ne doit pas être trop fortement refroi- die avant l'échange de chaleur, et dans le cas de la charge maximale l'eau ne doit pas être refroidie en dessous de 60 C environ pour éviter le givrage de l'échangeur de cha- leur. Or, la température très élevée du gaz, qui en résulte ainsi et se situe entre environ 65 C et 850C, diminue la densité du mélange et ainsi la puissance que peut fournir le moteur d'un véhicule. D'autres applications de tels courants de gaz froid sont par exemple celles de l'ébarbage de pièces en caoutchouc à l'aide de jets de pistolets cryogéniques, ou le refroidissement intérieur complémentaire de poches de corps creux en matière plastique ou encore le polissage par gaz froid de vernis très élastiques dans une chaîne de fa- brication. La présente invention a pour but de créer un dispositif permettant d'obtenir de manière simple et sûre un courant de gaz froid par échange de chaleur et mélange de deux milieux cryogéniques vaporisés, et ayant une tempé- rature pratiquement constante. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que le dispositif est caractérisé par: - un premier échangeur de chaleur muni de branchements pour une entrée et une sortie du fluide caloporteur et du mi- lieu cryogènique, un second échangeur de chaleur avec des branchements pour une entrée et une sortie d'un milieu cryogénique, une conduite de liaison du premier échangeur de chaleur vers le second échangeur de chaleur pour le milieu vaporisé dans le premier échangeur de chaleur, et qui traverse le second mélangeur de chaleur en échangeant de la chaleur avec le milieu cryogénique, et un point de mélange pour les milieux vaporisés dans le premier et le second échangeur de chaleur. Selon des développements avantageux de l'inven- tion: - le premier échangeur de chaleur et le second échangeur de chaleur sont réalisés sous la forme d'un ensemble com- pact. - le branchement pour l'arrivée du milieu cryogènique du second échangeur de chaleur est relié au branchement pour l'arrivée du milieu cryogènique du premier échangeur de chaleur. - la conduite du second échangeur de chaleur comporte un diaphragme ou une vanne de dosage. - une vanne à trois voies équipe le point de mélange. Le point de départ de l'invention est qu'un mi- lieu cryogénique vaporisé dans un échangeur de chaleur comme par exemple de l'hydrogène liquéfié à très basse tem- pérature, de l'azote ou du gaz naturel, sont fournis à un second échangeur de chaleur comme fluide caloporteur et par échange de chaleur avec un courant partiel du même milieu cryogénique liquéfié à basse température on effectue un re- froidissement en retour. Le milieu cryogénique à basse tem- pérature qui traverse le second échangeur de chaleur se vaporise également. Puis on mélange les deux veines de gaz. Les deux températures des courants de gaz créés par vapori- sation se sont bien rapprochées du fait du principe de re- froidissement en retour, déjà avant le point de mélange. L'utilisation de deux échangeurs de chaleur, peu coûteux, disponibles sous la forme de pièces fabriquées en série, permet de créer un petit ensemble compact à forte densité de puissance. Lorsqu'on utilise cet ensemble dans un véhi- cule à moteur il faut que la température de l'eau de re- froidissement servant de fluide caloporteur ne soit pas descendue dans la plage limite pour laquelle on n'évite pas avec certitude le givrage. L'utilisation de vannes régulées en température crée une bonne possibilité de réglage de la température car l'échange de chaleur précédent ne crée pas d'écoulement à deux phases dans la partie de mélange. Le régulateur de température de la soupape de régulation, qui travaille et se règle sans énergie auxiliaire, n'est pas particulière- ment sollicité car il n'y a pas de température plus basse ou de différence de température. Des essais ont montré que la température de mé- lange était bien constante même pour des variations de dé- bit important et rapide comme par exemple lorsque le véhicule automobile accélère. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté dans les dessins annexés et sera décrit ci- après: - la figure 1 est une vue de face du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue de côté du dispositif selon l'invention. Les dessins montrent un premier échangeur de chaleur 1 relié à un second échangeur de chaleur 2 pour former un ensemble compact. L'échangeur de chaleur 2, de plus petites dimensions que l'échangeur de chaleur 1, est fixé à l'échangeur de chaleur 1. Le premier échangeur de chaleur 1 comporte un raccord 3 pour l'entrée et un raccord 4 pour la sortie d'un liquide ou fluide caloporteur. De préférence, les branchements 3 et 4 sont reliés au radia- teur d'un véhicule automobile dont l'eau de refroidissement constituant le fluide caloporteur pénètre dans l'échangeur de chaleur 1 au niveau du branchement 3 et en sort par le branchement 4. Le branchement 5 assure l'alimentation de préférence en courant parallèle, d'un milieu cryogénique liquéfié comme par exemple de l'azote, de l'hydrogène, du gaz naturel, vers l'échangeur de chaleur 1; ce milieu li- quéfié s'écoule à travers l'échangeur de chaleur et s'en échappe comme milieu cryogénique gazeux, par la sortie 6. La conduite de liaison 7 fait passer le milieu vaporisé dans l'échangeur de chaleur 1 vers l'échangeur de chaleur 2. La conduite de liaison 7 est reliée par le branchement 8 à l'échangeur de chaleur 2. Par la conduite 9 et le bran- chement 10, le second échangeur de chaleur 2 reçoit un cou- rant partiel du milieu cryogénique liquéfié qui parcourt, de préférence en courant parallèle avec l'échangeur de cha- leur 2 en échangeant de la chaleur, le milieu cryogénique vaporisé de l'échangeur de chaleur 1. Le courant parallèle de la veine partielle de milieu cryogénique liquéfié et de milieu cryogénique vapo- risé donne une température très largement équilibrée au ni- veau du point de mélange 11 pour les deux courants gazeux. Il est clair que les échangeurs de chaleur 1 et 2 peuvent également travailler à contre-courant ou à courant croisé. Lorsque le milieu cryogénique gazeux est re- froidi en retour par dégagement de sa chaleur, le milieu cryogénique liquéfié est vaporisé par l'émission de cha- leur. Le milieu cryogénique vaporisé sort de l'échangeur de chaleur 2 par le branchement 15. Les deux courants de gaz sont réunis en un point de mélange 11 et sortent du dispo- sitif sous la forme d'un courant de gaz froid. Dans la con- duite 12 aboutissant au point de mesure 11 pour le milieu cryogénique qui se refroidit, dans l'échangeur de chaleur 2 comporte une vanne 13. Le degré d'ouverture de cette vanne de dosage 13 règle la température du courant de gaz froid. Il est clair qu'à la place de la vanne manuelle représentée dans le dessin on peut également prévoir une vanne commandé en température ou encore une vanne à commande par impul- sions électriques ou encore un diaphragme fixe dans la con- duite 12. De préférence, le milieu cryogénique liquéfié fourni à l'échangeur de chaleur 2 est dérivé du branchement de l'échangeur de chaleur 1. Selon un autre exemple de réalisation, on a une vanne à trois voies 17 à régulation de température au point de mélange. La vanne à trois voies 17 n'est représentée que schématiquement dans ce dessin. Cette vanne ouvre et ferme la conduite 12 et la conduite 14 des deux courants de gaz froid en fonction des températures prédéterminées. A la sortie 15 on dispose d'un courant de gaz froid à tempéra- ture de mélange essentiellement constante; même pour une variation de débit importante et rapide, comme par exemple lorsqu'on accélère dans un véhicule automobile, ce courant reste bien constant. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour former un courant de gaz froid par échange de chaleur entre un milieu cryogénique et un fluide caloporteur, caractérisé par: un premier échangeur de chaleur (5) muni de branchements (3, 4) et (5, 6) pour une entrée et une sortie du fluide caloporteur et du milieu cryogénique, un second échangeur de chaleur (2) avec des branchements (10, 16) pour une entrée et une sortie d'un milieu cryogénique, une con- duite de liaison (7) du premier échangeur de chaleur (1) vers le second échangeur de chaleur (2) pour le milieu vaporisé dans le premier échangeur de chaleur (1), et qui traverse le second mélangeur de chaleur en échangeant de la chaleur avec le milieu cryogénique, et un point de mé- lange (11) pour les milieux vaporisés dans le premier et le second échangeur de chaleur (1, 2). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier échangeur de chaleur (1) et le second échangeur de chaleur (2) sont réalisés sous la forme d'un ensemble compact. 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le branchement (10) pour l'arrivée du milieu cryogènique du second échangeur de chaleur (2) est relié au branchement (7) pour l'arrivée du milieu cryogèni- que du premier échangeur de chaleur (1). 4 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la conduite (12) du second échangeur de chaleur (2) comporte un diaphragme ou une vanne de dosage (13). 5 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par une vanne à trois voies (17) équipant le point de mélange (11).