Brevet FR2769354A1 — publié le 19990409

L'invention a trait à un procédé et à une installation de remplissage d'un réservoir sous pression avec un gaz. Dans le domaine spatial, il est connu d'utiliser un réservoir rempli de xénon pour la propulsion plasmique des satellites, un tel réservoir devant être rempli, pour des raisons de sécurité, juste avant le lancement du satellite. Ce réservoir est rempli à une pression de l'ordre de 180 bars. L'installation permettant un tel remplissage, parfois dénommé "skid de remplissage", doit être légère et peu encombrante, car elle est transportée sur les pas de tir à proximité des lanceurs. Pour remplir un réservoir de xénon à haute pression, il existe plusieurs procédés connus. On peut procéder au remplissage avec un compresseur mécanique, de préférence du type à membrane, pour éviter toute pollution. Les compresseurs à membranes sont très lourds et autorisent seulement de faibles débits de gaz, de sorte que le remplissage d'un réservoir peut s'avérer très long. I1 est également possible de procéder au remplissage avec un surpresseur hydropneumatique. Cependant, de tels surpresseurs présentent des risques de pollution du gaz, ce qui n'est pas admissible pour certaines applications envisagées, notamment dans le domaine spatial. I1 pourrait être envisagé de remplir le réservoir en le trempant dans un bain d'azote liquide de façon à liquéfier le xénon. Cette méthode n'est pas adaptée pour les réservoirs en composite ou en acier brut, ni pour les réservoirs déjà intégrés au sein d'une structure telle que, par exemple, un satellite. On peut également envisager de chauffer la bouteille mère contenant le gaz, mais cette méthode est applicable si le volume du réservoir à remplir est bien plus faible que celui de la bouteille mère. L'invention vise à proposer un procédé et une installation de remplissage d'un réservoir sous pression qui obvie aux inconvénients précités des techniques connues et permet un remplissage fiable, pouvant être mis en oeuvre, sur un pas de tir de lanceurs, sans risque de polluer le xénon. Dans cet esprit, l'invention concerne un procédé de remplissage de réservoir sous pression avec un gaz, caractérisé en ce qu'il consiste à - introduire une quantité dudit gaz dans un récipient intermédiaire, - liquéfier ladite quantité de gaz au fur et à mesure de son introduction dans ledit récipient intermédiaire, par échange thermique avec un fluide de réfrigération, - réchauffer et vaporiser ladite quantité de gaz dans ledit récipient intermédiaire par contact thermique avec une source chaude, - mettre en communication fluidique ledit récipient intermédiaire et ledit réservoir lorsque la pression dans le récipient intermédiaire devient supérieure à la pression du réservoir. Grâce à l'invention, le récipient intermédiaire sert de compresseur thermique, c'est-à-dire permet d'élever la pression du gaz par rapport à sa pression dans une source telle qu'une bouteille mère. Ce compresseur thermique est léger, performant par rapport aux autres solutions, et ne comprend pas de pièce en mouvement, ce qui est un gage de bonne fiabilité. Selon un premier aspect avantageux de l'invention, le procédé consiste également à chauffer la quantité de gaz dans le récipient intermédiaire, postérieurement à la mise en communication fluidique du récipient intermédiaire et du réservoir. Grâce à cet aspect de l'invention, lorsque la mise en communication du récipient intermédiaire et du réservoir a été effectuée, le maintien du chauffage conduit à un échauffement de la quantité de gaz comprise dans le récipient intermédiaire, ce qui permet de décharger continûment vers le réservoir cette quantité de gaz qui est alors sous haute pression. Selon un autre aspect avantageux, le transfert de gaz du récipient intermédiaire vers le réservoir a lieu à pression sensiblement constante. Le liquide de réfrigération utilisé avec le procédé de l'invention est avantageusement de l'azote liquide dont la production industrielle est bien maîtrisée. L'invention concerne également une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention et, plus précisément, une installation qui comprend au moins un compresseur thermique formé d'un récipient intermédiaire disposé entre une source du gaz et le réservoir, ce compresseur thermique comportant des moyens de liquéfaction par refroidissement d'une quantité du gaz en cours d'introduction dans le récipient intermédiaire et des moyens de chauffage de cette quantité de gaz à l'intérieur du récipient intermédiaire. Selon un premier aspect avantageux, les moyens de liquéfaction comprennent un tube de circulation d'un liquide de refroidissement tel que, notamment, de l'azote liquide. Ces moyens de liquéfaction sont connus en soi et relativement faciles à mettre en oeuvre. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les moyens de chauffage de la quantité de gaz comprise dans le récipient intermédiaire comprennent un élément électrique chauffant. L'utilisation d'un élément électrique chauffant permet un chauffage rapide de la quantité de gaz comprise dans le récipient intermédiaire, et donc une diminution substantielle du temps de cycle d'une opération de remplissage par rapport aux techniques connues. Selon un autre aspect avantageux, le tube de circulation et l'élément électrique chauffant sont placés à l'intérieur du récipient intermédiaire. Ainsi, seule une faible partie de l'épaisseur de la paroi du compresseur thermique voit sa température diminuer ou augmenter en fonction de celle du fluide qu'elle contient, de sorte que l'inertie thermique du compresseur en est diminuée. Avantageusement, le récipient intermédiaire comprend une arrivée de gaz dans sa partie inférieure et un départ de gaz dans sa partie supérieure. Ceci permet un soutirage du gaz dans la partie du récipient intermédiaire dans laquelle la température du gaz est la plus élevée. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, le récipient intermédiaire peut renfermer une coupelle de réception du gaz liquéfié, cette coupelle étant distante de la paroi interne du récipient. Grâce à cet aspect de l'invention, l'inertie thermique du compresseur est également diminuée. L'invention concerne également une installation qui comprend deux compresseurs thermiques aptes à fonctionner en opposition, l'un travaillant à la liquéfaction d'une quantité de gaz alors que l'autre travaille à la vaporisation-compression d'une autre quantité de gaz. Ceci permet de réaliser les opérations de liquéfaction en temps masqué, et donc de diminuer la durée totale d'une opération de remplissage d'un réservoir. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une installation de remplissage d'un réservoir conforme à son principe et de son procédé de mise en oeuvre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma fluide de principe d'une installation de remplissage conforme à l'invention - la figure 2 est une coupe verticale d'un compresseur thermique utilisé dans l'installation de la figure 1. A la figure 1, une bouteille mère 1 contient une quantité de xénon, par exemple 50 kg, sous une pression de l'ordre de 60 bars à 200C. Le rôle de l'installation est de remplir un réservoir 2 en titane, en acier ou en carbone, destiné à être embarqué sur un satellite, à une pression comprise entre 80 et 300 bars environ, par exemple de l'ordre de 180 bars. Pour ce faire, l'installation comprend un récipient intermédiaire 3 dont l'entrée 3a est reliée, par une conduite 4 à travers une vanne 5, à la bouteille mère 1. De la même manière, une conduite 6 relie la sortie 3b du récipient intermédiaire 3 au réservoir 2 à travers une vanne 7. Le récipient 3 comprend une enceinte 3c définissant un volume intérieur 3d de l'échangeur 3, de l'ordre de quelques litres, par exemple 4 litres environ. Dans ce volume intérieur 3d est disposé un tube 10 à l'intérieur duquel circule de l'azote liquide en provenance d'une source 11 telle qu'une bonbonne d'azote liquide. Une vanne 12 est prévue pour la commande de l'alimentation du tube 10 à partir de la source 11. Un organe de collecte 13 est prévu pour recevoir l'azote liquide ou gazeux après qu'il a circulé dans le tube 10. Un réchauffeur électrique, tel que par exemple une résistance chauffante 15, est également disposé à l'intérieur du volume 3d et relié à une source de potentiel 16 en étant commandé grâce à un interrupteur 17. Comme il ressort plus clairement de la figure 2, le tube 10 est enroulé en forme de spirale avec un axe globalement vertical, alors que l'élément chauffant 15 est également enroulé en forme de spirale à l'intérieur du volume 3d autour du même axe. Une coupelle 20 est disposée à l'intérieur du récipient intermédiaire 3 autour du tube 10 tout en étant maintenue à distance de la paroi interne de l'enceinte 3c par des écarteurs 21. Cette coupelle 20 est destinée à recevoir le gaz liquéfié, de telle sorte que celui-ci est maintenu à distance de l'en- ceinte 3c, ce qui permet de réduire les échanges thermiques et donc l'inertie thermique du récipient 3. On note que l'arrivée 3a du xénon est disposée dans la partie inférieure du récipient intermédiaire 3, alors que la sortie 3b est disposée dans la partie supérieure. Sur la figure 2, les flèches LN2 indiquent le sens de circulation de l'azote, les flèches Xe indiquent le sens de circulation du xénon et la flèche Qe indique la quantité d'électricité fournie à la résistance 15. Le fonctionnement de l'installation résulte des explications qui précèdent. Lorsqu'on souhaite remplir le réservoir 2 à partir de la bonbonne 1 contenant du xénon, la vanne 7 étant fermée, on ouvre la vanne 5 pour mettre en communication la bouteille mère 1 et le récipient intermédiaire 3, de telle sorte que le gaz est déchargé de la bouteille 1 vers le réservoir 3. Au fur et à mesure de l'arrivée du gaz dans le réservoir 3, celui-ci est liquéfié par contact avec le tube 10 dans lequel circule de l'azote liquide à environ -1800C. Le diamètre du tube 10 et la vitesse d'écoulement de l'azote liquide dans ce tube sont calculés pour que la consommation d'azote liquide ne soit pas trop importante et pour que l'azote sorte du récipient intermédiaire 3 à une température proche de la température de saturation du xénon, soit 165K à 1 bar. En pratique, le débit d'azote liquide dans le tube 10 est compris entre 2 et 20 g/s. On obtient ainsi une quantité de xénon liquéfié recueilli dans la coupelle 20 à l'intérieur du récipient intermédiaire 3. On ferme alors la vanne 5 et l'interrupteur 17, de telle sorte que la circulation du courant à l'intérieur de la résistance 15 résulte dans une élévation rapide de la température du xénon contenu dans le récipient 3. Ceci induit une vaporisation du gaz liquéfié, puis une compression de ce gaz à l'intérieur du récipient 3, cette compression permettant d'atteindre rapidement une pression de l'ordre de 180 bars. Le récipient intermédiaire 3 constitue donc un "compresseur thermique " permettant d'élever la pression d'un gaz et ne comportant pas de pièce en mouvement. Lorsqu'une pression de l'ordre de 180 bars est atteinte, on ouvre la vanne 7 de façon à mettre en communication fluidique le récipient 3 et le réservoir 2. Le gaz se décharge alors dans le réservoir 2. On maintient l'interrupteur 17 fermé, de telle sorte que le chauffage continue à l'intérieur du récipient intermédiaire 3, ce qui a tendance à faire augmenter la pression à l'intérieur du réservoir 3, le gaz étant alors progressivement évacué. Ainsi, la décharge du gaz du récipient intermédiaire 3 vers le réservoir 2 a lieu alors que la pression à l'intérieur du récipient intermédiaire est maintenue sensiblement constante, voire augmente légèrement. Les essais conduits ont permis de montrer que, lors de la compression isochore de la quantité de gaz par chauffage dans le récipient 3, la température du xénon passe d'environ 210 K à environ 245 K. Le maintien du chauffage après l'ouverture de la vanne 7 permet d'augmenter la température du xénon vaporisé d'environ 245 K à environ 310 K. Un échangeur 22 a forte inertie thermique est disposé autour de la conduite 6. Cet échangeur, qui peut être formé d'un bloc d'aluminium, est apte à recevoir, en entrée, un gaz entre -300C et 400c et à délivrer, en sortie, un gaz à environ 50C. Ceci permet d'alimenter le réservoir 2 à une température supérieure à 50C et d'éviter tout risque de condensation dans ou sur la surface externe du réservoir 2. En outre, le maintien du chauffage lorsque le récipient 3 est en communication avec le réservoir 2 conduit à la création d'un gradient de température relativement important à l'intérieur du compresseur thermique, le gaz le plus chaud ayant tendance à s'accumuler à proximité de l'orifice de sortie ou de départ 3b qui est situé en partie haute, ce qui facilite son transfert vers le réservoir 2. Le compresseur thermique ou récipient intermédiaire 3 doit être capable de supporter des basses températures lorsque le gaz est liquéfié, mais également être dimensionné en fonction de la pression à laquelle doit être rempli le réservoir 2. L'épaisseur de l'enceinte 3c est déterminée en fonction de ces critères. L'inertie thermique du compresseur doit être la plus faible possible pour ne pas pénaliser les performances du procédé et, en particulier, le temps de cycle. Le volume du compresseur doit être suffisamment grand pour permettre d'y loger le tube 10 et l'élément chauffant 15, mais pas trop important de façon à limiter l'inertie thermique. Un volume de quelques litres, notamment de 4 à 6 litres, permet de remplir un réservoir de quelques centaines de litres en quelques dizaines de cycles. Dans ce cas, la paroi du compresseur thermique 3 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 10 mm environ, sa masse totale étant de l'ordre de 30 kg environ. Avantageusement, le compresseur est équipé d'un capteur de pression et d'un capteur de température, qui ne sont pas représentés sur les figures, afin de vérifier le bon fonctionnement du dispositif. Dans un même but, le compresseur thermique 3 peut être installé sur une balance. La puissance dissipée par l'élément chauffant 15 n'est pas nécessairement très importante dans la mesure où la quantité de fluide devant être chauffé pour chaque cycle est relativement faible. En pratique, un élément chauffant avec une puissance nominale de l'ordre de quelques kilowatts, par exemple entre 2 et 4 kW, est suffisant. Par ailleurs, plusieurs compresseurs peuvent être utilisés en parallèle pour augmenter le débit total de l'installation. Notamment, on peut utiliser deux compresseurs thermiques fonctionnant en opposition, l'un travaillant à la liquéfaction d'une quantité de gaz alors que l'autre travaille à la vaporisation-compression d'une autre quantité de gaz. Selon une variante non représentée de l'invention, l'élément chauffant 15 pourrait être remplacé par un échangeur à eau ou tout autre fluide à forte capacité calorifique. Bien entendu, la disposition des entrées 3a et 3b, de même que la disposition des entrée et sortie du tube 10 et des entrée et sortie de l'élément chauffant 15 pourrait être modifiée. De même, un système de réfrigération avec un fluide ayant une température de vaporisation proche de 200K pourrait être utilisé à la place du tube 10 contenant de l'azote liquide. L'invention a été présentée avec une installation de remplissage de réservoir avec du xénon. Il est bien entendu qu'elle est applicable avec d'autres gaz à température critique relativement élevée et, notamment, avec du krypton. Un domaine d'application privilégié de l'invention est le remplissage au sol d'un réservoir de xénon devant avoir une pureté supérieure à 99,995, ce xénon étant utilisé pour la propulsion plasmique des satellites. On comprend que l'installation de l'invention peut constituer un ensemble léger et compact pouvant être aisément déplacé sur les pas de tir de ces satellites. L'invention peut également être utilisée dans des installation de récupération de xénon ou de krypton, par exemple dans l'industrie des lampes. REVENDICATIONS 1. Procédé de remplissage d'un réservoir sous pression avec un gaz, caractérisé en ce qu'il consiste à : - introduire une quantité dudit gaz dans un récipient intermédiaire (3), - liquéfier ladite quantité de gaz, au fur et à mesure de son introduction dans ledit récipient intermédiaire, par échange thermique (10) avec un fluide de réfrigération, - réchauffer et vaporiser ladite quantité de gaz dans ledit récipient intermédiaire par contact thermique avec une source chaude (15), - mettre en communication fluidique ledit récipient intermédiaire et ledit réservoir (2) lorsque la pression dans ledit récipient intermédiaire devient supérieure à la pression dudit réservoir. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste également à chauffer (15) ladite quantité de gaz dans ledit récipient intermédiaire postérieurement à la mise en communication fluidique dudit récipient intermédiaire (3) et dudit réservoir (2). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transfert de gaz dudit récipient intermédiaire (3) vers ledit réservoir (2) a lieu à pression sensiblement constante. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit liquide de réfrigération est de l'azote liquide. 5. Installation de remplissage d'un réservoir sous pression avec un gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un compresseur thermique formé d'un récipient intermédiaire (3) disposé entre une source (1) dudit gaz et ledit réservoir (2), ledit compresseur thermique comportant des moyens (10) de liquéfaction par refroidissement d'une quantité dudit gaz en cours d'introduction dans ledit récipient intermédiaire et des moyens de chauffage (15) de ladite quantité de gaz à l'intérieur dudit récipient intermédiaire. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de liquéfaction de ladite quantité de gaz comprennent un tube (10) de circulation d'un fluide de refroidissement tel que, notamment, de l'azote liquide. 7. Installation selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de chauffage de ladite quantité de gaz comprennent un élément électrique chauffant (15). 8. Installation selon les revendication 6 et 7, caractérisée en ce que ledit tube de circulation (10) et ledit élément électrique chauffant (15) sont placés à l'intérieur dudit récipient intermédiaire. 9. Installation selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que ledit récipient intermédiaire (3) comprend une arrivée de gaz (3a) dans sa partie inférieure et un départ de gaz (3b) dans sa partie supérieure. 10. Installation selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que ledit récipient intermédiaire renferme une coupelle (20) de réception du gaz liquéfié, ladite coupelle étant distante de la paroi interne dudit récipient (3). 11. Installation selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend deux compresseurs thermiques aptes à fonctionner en opposition, l'un travaillant à la liquéfaction d'une quantité de gaz alors que l'autre travaille à la vaporisation-compression d'une autre quantité de gaz.