Brevet FR2905773A1 — publié le 20080314

REGULATEUR DE PRESSION ET PROCEDE DE REGULATION DE PRESSION DE GAZ La présente invention concerne un régulateur de pression et un procédé de régulation de pression de gaz. Elle concerne également l'utilisation d'un tel régulateur et/ou la mise en oeuvre dudit procédé. Ce type de régulateur ou de procédé sont notamment adaptés à alimenter une installation en gaz à pression déterminée, notamment à basse pression, à partir d'un réservoir, par exemple une bouteille, où du gaz est stocké à plus haute pression, notamment à haute pression. Dans le cadre de l'invention, on considère qu'un gaz est à haute pression quand sa pression est comprise, typiquement, entre 10 et 1000 bar et à basse pression quand sa pression est inférieure à 5 bars. Des régulateurs de pression sont très couramment utilisés tant dans le domaine médical qu'industriel. Des régulateurs de pression connus sont notamment appelés "détendeurs" et permettent d'abaisser la pression d'un gaz à une pression stabilisée. On note que la pression de détente doit être maintenue constante pour une gamme de débits donnés, même si la pression de la source de gaz varie, comme c'est le cas pour une bouteille. Les détendeurs usuels sont constitués d'une partie haute pression et d'une partie basse pression en communication par un orifice dont l'ouverture est plus ou moins grande en fonction du positionnement d'un clapet, généralement actionné par une vis de réglage de la pression de sortie. La vis de pression de sortie est par exemple reliée au clapet par l'intermédiaire d'un ressort de détente qui agit sur une membrane solidaire du clapet, ledit clapet étant équipé d'un ressort de rappel. 2905773 2 De tels détendeurs sont également mis en oeuvre avec un principe de double détente afin de limiter les variations de la pression de sortie en fonction de la pression d'entrée et du débit désiré. De tels détendeurs sont par 5 exemple commercialisés par la société Air Liquide sous la référence HBS. Ces détendeurs, bien que très largement utilisés présentent les inconvénients suivants : - pour obtenir une stabilité du débit de gaz souhaité 10 il est nécessaire de réaliser de tels détendeurs pneumatiques avec des usinages très précis, notamment les usinages de sièges et des clapets ; il convient également de dimensionner et de choisir les matériaux des membranes et des ressorts avec beaucoup de précaution afin de limiter 15 la dérive de leurs propriétés dans le temps. Il en résulte que les installations susceptibles de fournir un débit de gaz avec une excellente stabilité sont volumineuses et onéreuses. En outre, quand de forts débits et des hautes pressions de gaz sont souhaités, il convient d'augmenter 20 encore le dimensionnement de tels dispositifs afin de résister aux efforts de pression mis en jeu, ce qui conduit à augmenter encore le volume et le poids de ces dispositifs. - des vérifications et révisions de ces dispositifs 25 sont régulièrement nécessaires pour s'assurer que la stabilité requise du débit de gaz peut être atteinte, entraînant ainsi des interruptions de service non désirées. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus. 30 Par conséquent, l'invention a pour but de proposer un régulateur de pression permettant une stabilité améliorée de débit de gaz basse pression. Le but est atteint grâce à un régulateur de pression 2905773 3 de gaz comprenant une partie haute pression et une partie basse pression en communication par un orifice où ledit orifice a une surface inférieure ou égale au millimètre carré, soit 10-6 m2 et où une partie de membrane dotée de 5 moyens d'actionnement permet d'occulter ou d'ouvrir ledit orifice de manière à ce que l'orifice est, soit totalement fermé, soit totalement ouvert. L'utilisation d'un orifice de petite taille et l'ouverture ou l'occultation complète de l'orifice par 10 l'intermédiaire d'une membrane permettent de contrôler très précisément la quantité de gaz qui traverse l'orifice quand la membrane l'ouvre. On peut ainsi définir des impulsions maîtrisées de quantité de gaz qui, quand elles sont répétées, permettent d'alimenter une installation en gaz. 15 Selon un mode de réalisation, ledit régulateur comprend une pluralité d'orifices dont la surface est inférieure au millimètre carré, où chaque orifice est occulté ou ouvert grâce à au moins une partie de membrane actionnée de manière individuelle, soit à l'état totalement 20 fermé, soit à l'état totalement ouvert. Le nombre d'orifices peut être de l'ordre de la dizaine, voire de la centaine et plus. La section de chacun des orifices peut être identique ou différente. Chaque partie de membrane en regard d'un orifice agit comme un élément 25 obturateur indépendant. Il est ainsi possible de démultiplier les impulsions maîtrisées de quantité de gaz et d'obtenir une vaste plage de débit de gaz qui peut être stabilisé de manière remarquable. En outre, la faible taille des orifices permet de 30 limiter les efforts nécessaires à l'obturation. On peut ainsi utiliser des moyens d'actionnement de faible puissance. Selon un mode de réalisation, un dispositif de 2905773 4 commande générant un signal de commande est associé audit régulateur pour actionner de manière individuelle chaque partie de membrane en regard d'un orifice. On peut ainsi réguler de manière très précise le débit 5 de gaz sortant. Le signal de commande peut être calculé par une unité de calcul intégrée ou extérieure en fonction de paramètres donnés. Avantageusement le signal de commande relatif à l'actionnement de chaque partie de membrane est calculé et appliqué sensiblement simultanément. 10 Selon un mode de réalisation, les orifices ont une surface inférieure ou égale à 10-8 m2, voire de l'ordre de 10-9 m2. Selon un mode de réalisation, au moins une partie de membrane peut être mise en contact direct avec les bords 15 d'un orifice. Selon un mode de réalisation, au moins une partie de membrane agit sur une pièce, notamment un poussoir, qui peut être mise en contact direct avec les bords d'un orifice. 20 Il est donc possible soit d'occulter un ou des orifices par application directe d'une partie d'une membrane, soit par l'intermédiaire d'une pièce que déplace une partie d'une membrane. Selon un mode de réalisation, au moins une partie de 25 membrane est métallique. Ladite membrane métallique peut être ondulée. Selon un mode de réalisation, au moins une partie de membrane est actionnée par l'intermédiaire d'un poussoir à l'aide d'un micromoteur, notamment un microsystème 30 électromécanique ou piézoélectrique. Il est également possible d'envisager des orifices de taille d'ordre nanométrique et d'utiliser des nanomoteurs pour actionner les membranes associées à chaque orifice. 2905773 5 L'invention concerne également un procédé de régulation d'un gaz comprenant les étapes suivantes : a) Alimentation en gaz haute pression d'une partie haute pression comprenant un orifice dont la surface est 5 inférieure ou égale au millimètre carré et mettant la partie haute pression en communication avec une partie basse pression, b) Actionnement par des moyens d'actionnement d'une partie de membrane pour occulter totalement ou ouvrir 10 totalement ledit orifice, c) Détente du gaz dans la partie basse pression après que la membrane ait permis l'ouverture dudit orifice. Selon un mode de réalisation dudit procédé, les étapes a), b), c), sont mises en oeuvre en relation avec une 15 pluralité d'orifices dont la surface est inférieure ou égale au millimètre carré et une pluralité de moyens d'actionnement d'une pluralité de parties de membrane. Selon ce dernier mode de réalisation, chaque moyen d'actionnement peut recevoir une information binaire 20 permettant soit d'occulter totalement un orifice soit de l'ouvrir totalement, par l'intermédiaire d'une partie de membrane. L'invention vise également l'utilisation d'un des modes de réalisation du régulateur de pression de gaz ou de 25 la mise en oeuvre d'un des modes de réalisation du procédé dans une chaîne de distribution de gaz où le débit de gaz issu de la partie basse pression est régulé par un dispositif PID en fonction de paramètres choisis seuls ou en combinaison dans la liste comprenant la consigne de 30 pression basse, un débit mesuré, une température ou, d'une façon générale, tout autre signal d'appel d'une quantité de gaz, comme par exemple un appel de courant sur une pile à combustible, qui déclenchera à son tour l'appel du débit 2905773 6 nécessaire d'hydrogène. L'invention vise également l'utilisation d'un des modes de réalisation du régulateur de pression de gaz ou de la mise en oeuvre d'un des modes de réalisation du procédé 5 pour alimenter en hydrogène une pile à combustible. L'application à l'alimentation d'une pile à combustible en hydrogène est particulièrement avantageuse car la pression aval de gaz souhaitée est connue, stable et peu différente de la pression atmosphérique. Le débit 10 maximum souhaité est en relation avec la puissance de la pile, et par exemple de l'ordre de 1 Nm3/h pour une puissance électrique de 1,3 kW.h, suivant les performances de pile à combustible actuellement en service. L'invention sera détaillée ci-après à l'aide 15 d'exemples non limitatifs illustrés par les figures suivantes . - Figure 1 coupe schématique d'un régulateur de pression selon l'invention ; - Figure 2 coupe schématique d'un moyen 20 d'actionnement de la membrane ; - Figure 3 : coupe schématique d'un autre mode de réalisation d'un régulateur de pression selon l'invention ; - Figure 4 coupe schématique d'un mode de réalisation de la membrane ; 25 - Figure 5 coupe schématique d'un régulateur de pression comprenant une pluralité d'orifices ; - Figure 6 représentation schématique de la variation du débit d'hydrogène en fonction de la pression pour un mode de réalisation selon l'invention. 30 On représente en figure 1 le principe d'un régulateur de pression selon l'invention, où une partie haute pression 1 reçoit du gaz à haute pression qui est introduit dans une partie basse pression 2, où le gaz se détend, par 2905773 7 l'intermédiaire d'un orifice 4. L'orifice 4 est de petite dimension, de surface inférieure ou égale au millimètre carré, par exemple de 1,25.10-9 m2. Une membrane 6 permet d'ouvrir ou d'occulter cet orifice 4. Grâce au poussoir 8 5 représenté en figure 2, l'orifice 4 est soit totalement fermé, soit totalement ouvert. Suivant ce mode de réalisation, l'axe du poussoir 8 est confondu avec l'axe de l'orifice 4 et la surface d'appui du poussoir en contact avec la membrane 6 est supérieure à la surface de 10 l'orifice 4. La membrane est retenue par une pièce 7 qui sert également de butée au poussoir 8. On représente en figure 3 un autre mode de réalisation du régulateur de pression selon l'invention, où une partie haute pression 11 communique avec une partie basse 15 pression 12 par l'intermédiaire d'un orifice 14. La partie haute pression 11 comprend par exemple un canal cylindrique d'un millimètre de diamètre dont une extrémité se resserre pour former l'orifice 14 de 0,04 mm de diamètre. Un poussoir 19 permet d'occulter ou d'ouvrir 20 l'orifice 14. Ce poussoir 19 est constitué par exemple par un cylindre de 0,8 millimètre de diamètre ; il est actionné par une membrane 16 de manière à ce que l'orifice 14 est, soit totalement fermé, soit totalement ouvert. La membrane 16 est actionnée par un poussoir 22 mis en 25 mouvement par un micromoteur 23. Le corps du régulateur de pression est composé de trois pièces 13, 20, 21 où la pièce 13 comprend la partie haute pression 11 et un volume constituant partiellement la partie basse pression 12 ; la pièce 20, en contact étanche avec la pièce 13, comprend une 30 ouverture cylindrique pour recevoir le poussoir 19 et une cavité permettant le déplacement de la membrane 16 ; la pièce 21 comprend une ouverture cylindrique pour recevoir le poussoir 22 et le contact étanche entre la pièce 20 et 2905773 8 la pièce 21 est assuré par serrage de la membrane 16. Une ouverture 18 est ménagée à partir de la partie basse pression pour permettre au gaz de s'échapper. Un exemple de membrane est illustré en figure 4 où la 5 membrane 16, maintenue de manière étanche entre les pièces 20 et 21, est métallique et comprend une zone ondulée. Dans l'exemple représenté, la membrane 16 comprend une zone circulaire plate en regard avec le poussoir 22, suivie radialement de trois ondulations en anneaux formant 10 soufflet. On obtient ainsi une zone de membrane très déformable qui permet de transmettre l'effort de poussée du poussoir 22 avec très peu de résistance. De manière connue en soi, le métal de la membrane est choisi pour être compatible avec les gaz à détendre. 15 On représente en figure 5 un régulateur de pression comprenant une pluralité d'orifices, constitué d'une succession de régulateurs de pression élémentaires du type de ceux représentés en figure 3. Ces détendeurs élémentaires sont alimentés par une même entrée de gaz 20 haute pression 24 et le gaz basse pression est distribué par une sortie commune 18. On représente en figure 6, pour un dispositif selon l'invention, la variation du débit en hydrogène QH2 à travers un orifice de 0,04 mm de diamètre, en fonction de 25 la pression dans la partie haute pression, P, exprimée en bar. Un tel orifice peut être fermé par application d'une force de 9 grammes force sur une membrane. On obtient alors des impulsions de débit d'hydrogène correspondant à un débit de 1,4 Nm3/h. Un tel débit convient à l'alimentation 30 d'une pile à combustible d'une puissance de 1,8 kW.h. L'invention ne se limite pas à ces types de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tout mode de réalisation équivalent. REVENDICATIONS 1. Régulateur de pression de gaz comprenant une partie haute pression (1) et une partie basse pression (2) en communication par un orifice (4, 14) caractérisé en ce que ledit orifice a une surface inférieure ou égale au millimètre carré, soit 10-6 m2 et qu'une partie de membrane (6, 16) dotée de moyens d'actionnement (8, 22) permet d'occulter ou d'ouvrir ledit orifice (4, 14), de manière à ce que l'orifice (4, 14) est, soit totalement fermé, soit totalement ouvert. 2. Régulateur selon la revendication précédente comprenant une pluralité d'orifices (4, 14) dont la surface est inférieure au millimètre carré, où chaque orifice est occulté ou ouvert grâce à au moins une partie de membrane (6, 16), actionnée de manière individuelle, soit à l'état totalement fermé, soit à l'état totalement ouvert. 3. Régulateur selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est associé à un dispositif de commande générant un signal de commande pour actionner de manière individuelle chaque partie de membrane (6, 16) en regard d'un orifice (4, 14). 4. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les orifices (4, 14) ont une surface inférieure ou égale à 10-8 m2, voire de l'ordre de 10-9 m2. 5. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que au moins une partie de membrane (6, 16) peut être mise en contact direct avec les bords d'un orifice (4, 14). 6. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que au moins 2905773 10 une partie de membrane (6, 16) agit sur une pièce, notamment un poussoir (19), qui peut être mise en contact direct avec les bords d'un orifice (4, 14). 7. Régulateur selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes caractérisé en ce que au moins une partie de membrane (6, 16) est métallique. 8. Régulateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que la partie de la membrane métallique (16) est ondulée. 10 9. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que au moins une partie de membrane (6, 16) est actionnée par l'intermédiaire d'un poussoir à l'aide d'un micromoteur. 10. Procédé de régulation d'un gaz comprenant les 15 étapes suivantes . a) Alimentation en gaz haute pression d'une partie haute pression (1) comprenant un orifice (4, 14) dont la surface est inférieure ou égale au millimètre carré et mettant la partie haute pression (1) en communication avec 20 une partie basse pression (2), b) Actionnement par des moyens d'actionnement (6, 16) d'une partie de membrane pour occulter totalement ou ouvrir totalement ledit orifice (4, 14), c) Détente du gaz dans la partie basse pression (2) 25 après que la membrane ait permis l'ouverture dudit orifice (4, 14). 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les étapes a), b), c), sont mises en oeuvre en relation avec une pluralité d'orifices (4, 14) dont la 30 surface est inférieure ou égale au millimètre carré et une pluralité de moyens d'actionnement (23) d'une pluralité de parties de membrane (6, 16). 12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en 2905773 11 ce que chaque moyen d'actionnement (23) reçoit une information binaire permettant soit d'occulter totalement un orifice (4, 14) soit de l'ouvrir totalement, par l'intermédiaire d'une partie de membrane (6, 16). 5 13. Utilisation du régulateur de pression de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 dans une chaîne de distribution de gaz où le débit de gaz issu de la partie basse pression (2) est régulé par un 10 dispositif PID en fonction de paramètres choisis seuls ou en combinaison dans la liste comprenant une consigne de pression, de débit mesuré, de température, un signal d'appel d'une quantité déterminée de gaz. 14. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque 15 des revendications 1 à 9 ou mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 pour alimenter en hydrogène une pile à combustible.