Brevet FR3041061A1 — publié le 20170317

La présente invention concerne un réservoir de stockage de fluide liquéfié ainsi qu'un dispositif de refroidissement comprenant un tel réservoir. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir de stockage de fluide liquéfié comprenant une paroi de stockage dont la surface interne délimite un volume de stockage pour du fluide liquéfié, le réservoir comprenant un échangeur de refroidissement du fluide contenu dans le réservoir pour notamment condenser des vapeurs dudit fluide. L'invention concerne notamment un réservoir de fluide cryogénique destiné à stocker un gaz ou mélange de gaz à basse température, par exemple cryogénique, notamment du xénon ou tout autre gaz de l'air ou autre. Les réservoirs cryogéniques comprennent généralement une structure à double parois comprenant un vide d'air (par exemple une pression de 10-4 mbar) entre les deux parois et un isolant thermique (par exemple une couche de perlite et/ou une isolation multicouches). Notamment lorsque le gaz stocké est relativement coûteux et pour éviter de relâcher du gaz dans l'atmosphère, il est connu de prévoir un échangeur de chaleur de refroidissement pour condenser les vapeurs produites dans le réservoir (cf. document EP2618038A). Les solutions connues augmentent cependant la complexité, le coût et l'encombrement des installations. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réservoir selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l'échangeur de refroidissement comprend une masse de métal, notamment d'aluminium, dans laquelle est intégré au moins un conduit d'un circuit de fluide caloporteur pour refroidir ladite masse et en ce que la masse est en contact et fixée sur la surface externe de la paroi de stockage. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la masse est en contact et fixée sur la surface externe de la partie supérieure de la paroi de stockage, 3041061 - la masse est en contact avec la paroi de stockage sur une surface comprise entre 0,04 et 4m2 - la masse a un volume constituant entre 8 et 10000kg de métal, - la masse a une capacité calorifique-massique (densités multipliée par 5 capacité calorifique à pression constante) comprise entre 7 et 9000 kJ.rn-3.K1 et une conductivité thermique comprise entre 180 et 220 W.rn-1.Ki - la masse est reliée à la paroi externe et conduit(s) par coulage de métal sous forme liquide à température de fusion sur la paroi de stockage et autour du ou des conduits, c'est-à-dire que le ou les conduits sont noyés dans la masse, la 10 masse étant surmoulée sur la paroi externe et les conduits, - le réservoir comporte au moins une plaque métallique fixée sur la surface externe de la paroi de stockage et faisant saillie transversalement par rapport à cette paroi, la au moins une plaque comprenant au moins un courbure ou découpe, la masse étant surmoulée sur la portion de paroi externe comprenant le 15 ou les plaques, c'est-à-dire que la ou les plaques sont noyée dans la masse, - le réservoir comporte une paroi externe disposée de façon espacée autour de la paroi de stockage, l'espace entre lesdites parois étant maintenu sous vide à une pression inférieure à la pression atmosphérique et comprenant une couche isolation thermique, 20 - le réservoir comporte un ou plusieurs conduits réalisant plusieurs boucles ou lacets au sein de la masse, - le réservoir comporte un circuit de fluide comprenant une conduite de soutirage de fluide contenu dans le volume délimité par la paroi de stockage et une conduite de retour de fluide vers le volume délimité par la paroi de stockage, 25 - la conduite de soutirage comprend un échangeur de réchauffage du fluide soutiré et en ce que la conduite de retour comprend un échangeur de refroidissement renvoyé dans le réservoir, - les conduites de soutirage et de retour selon reliées à une application ou un organe de purification du fluide du réservoir en formant une boucle de 30 circulation pour le fluide dans laquelle le fluide est soutiré via la conduite de soutirage, purifié dans l'application ou l'organe de purification et renvoyé dans le réservoir via la conduite de retour. 3041061 3 L'invention concerne également un dispositif de refroidissement d'un appareil utilisateur par transfert de frigories entre un fluide liquéfié et ledit appareil utilisateur, le dispositif comprenant un réservoir de stockage de fluide liquéfié stockant un fluide cryogénique parmi : du xénon, du néon, ou tout autre fluide 5 cryogénique un circuit de transfert de fluide depuis et vers le réservoir comprenant un système de conduites et de vannes, le réservoir étant conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, le dispositif comportant une source de fluide caloporteur tel que de l'azote liquide, le au moins un conduit du circuit de fluide caloporteur étant relié à ladite source de fluide caloporteur. 10 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle 15 illustrant un exemple de réalisation d'un réservoir selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant l'utilisation d'un réservoir conforme à la figure dans une installation, - la figure 3 représente une vue en coupe verticale, schématique et 20 partielle, de la partie supérieure d'un réservoir du type de celui de la figure 1 selon un mode de réalisation avantageux, - la figure 4 représente une vue en perspective de la partie supérieure de la paroi de stockage du réservoir du type de celui de la figure 4 selon un mode de réalisation avantageux. 25 Le réservoir de stockage de fluide liquéfié représenté à la figure 1 comprend classiquement une paroi 1 de stockage, par exemple de forme générale cylindrique, dont la surface interne délimite un volume de stockage pour du fluide liquéfié (fluide cryogénique stocké en équilibre liquide/gaz). Comme décrit ci-après en référence à la figure 2, de préférence la paroi 1 30 de stockage peut être logée dans une paroi 5 externe avec un système d'isolation entre les parois 1, 5 (vide et couche d'isolant thermique). La paroi 1 de stockage peut également être logée dans une enceinte sous vide ou une atmosphère froide permettant d'isoler au maximum de fluide stocké des entrées de chaleur. 3041061 4 Le réservoir a par exemple un volume de 50 à 1000 litres, par exemple 300 litres. Le réservoir peut stocker notamment du xénon en phase liquide à une température de -101°C sous 1,5 bar absolu (en équilibre diphasique liquide-gaz). Par exemple le réservoir stocke 200kg de xénon. 5 Le réservoir comprenant un échangeur 2 de refroidissement du fluide contenu dans le réservoir pour condenser des vapeurs dudit fluide. Selon une particularité avantageuse, l'échangeur 2 de refroidissement comprend une masse 3 de métal, par exemple de l'aluminium, dans laquelle est intégré au moins un conduit 4 d'un circuit de fluide caloporteur pour refroidir ladite 10 masse 3. La masse 3 est en contact et fixée sur la surface externe de la paroi 1 de stockage. C'est-à dire que la condensation des vapeurs présentes dans le stockage délimité par la paroi 1 est réalisée sans nécessiter de prévoir un transfert des vapeurs à l'extérieur de la paroi 1 de stockage. 15 Cet agencement forme ainsi un condenseur qui permet de liquéfier ou reliquefier (voir de solidifier) le fluide cryogénique du réservoir de façon sûre et maîtrisée sans circuit annexe. Le fluide « chaud » n'est ni aspiré, ni dirigé dans un circuit de refroidissement externe. Les vapeurs sont condensées sur place directement dans le réservoir dont la paroi 1 de stockage est refroidie à 20 température contrôlée et fait office de surface d'échange thermique. De même, selon cet agencement, il n'est pas davantage nécessaire de prévoir un échangeur de condensation à l'intérieur de la paroi 1 de stockage. Comme illustré aux figures, la masse 3 est en contact et fixée de préférence sur la partie supérieure de la paroi 1 de stockage. 25 Cet échangeur 2 de chaleur peut être soudé ou coulé directement sur la face externe de la paroi 1 de stockage. La paroi 1 de stockage (en inox, acier ou tout autre matériau approprié) est directement refroidie et transmet ses frigories aux vapeurs qu'elle contient. Ceci créé un processus de condensation qui met naturellement en 30 mouvement le fluide dans le volume de stockage (en particulier si l'échangeur est placé en partie supérieure). Ceci génère une économie énergétique. L'échangeur 2 comprend par exemple un ou plusieurs serpentins 4 (conduits tubulaires) intégrés dans la masse 3 ou matrice présentant une grande 3041061 5 conductivité thermique. Par exemple deux circuits parallèles de conduits 4 sont intégrés dans la masse 3. Par exemple, la masse 3 peut comprendre un bloc massif en aluminium (ou tout autre métal ou alliage approprié). 5 Cette masse est traversée (via les conduits 4) par un fluide frigorigène mis en circulation dans des canalisations 4 implantées en son sein. Ce fluide caloporteur de refroidissement peut ainsi extraire autant de calories à la masse 3 installée et à la paroi 1 du réservoir qu'il lui en faut pour se vaporiser et se réchauffer jusqu'à sa température de sortie. 10 Cette architecture augmente significativement la souplesse d'utilisation d'un tel réservoir et notamment de l'échangeur de chaleur par rapport à l'art antérieur. La gamme de pression de service de l'échangeur est significativement élargie comparativement à n'importe quel autre échangeur. En effet, il est possible de faire fonctionner cet échangeur 2 sur une très 15 large plage de température, par exemple de 4,5K à 300K, du fait de sa grande inertie thermique. Ainsi, fixer ce paramètre de température revient d'ailleurs à choisir la température souhaitée sur la paroi 1 de stockage du réservoir (et réciproquement). Dans le cas d'un stockage de xénon, de préférence, la température 20 minimale recommandée pour la masse est de -110°C (température du point triple du xénon). De cette façon, la gamme de température possible pour la paroi 1 refroidie s'étend de la valeur du point triple du condensat jusqu'à celle donnée par la pression maximale admissible. Le fluide frigorigène est choisi en conséquence. 25 Ce fluide caloporteur peut être par exemple l'azote liquide à -188°C (85K) par exemple à un débit de 1 gramme par seconde. En sortie de la masse l'azote peut être vaporisé (température par exemple de -103°C (170K). La structure de l'échangeur permet d'adapter également la puissance de l'échange thermique, définie par la différence entre température de changement 30 d'état du fluide chaud dans le réservoir délimité par la paroi 1 et la température de la masse 3. Cette puissance est également dépendante du débit de fluide caloporteur. 3 0 4 1 0 6 1 6 De plus, la capacité calorifique de l'ensemble (paroi 1 et masse 3 refroidie) confère une importante inertie thermique au système. Ceci permet de garantir la stabilité en température et donc en pression dans le réservoir. De façon générale, l'importante quantité de frigories stockée au sein de l'ensemble assure la stabilité 5 thermique du système. Ainsi, l'invention permet de contrôler et piloter la puissance de l'échange thermique De plus l'invention permet d'accroître sensiblement l'énergie frigorifique stockée dans les matériaux ce qui permet d'effacer l'impact de toute perturbation thermique. 10 Selon les applications, la masse 3 est en contact avec la paroi 1 de stockage sur une surface comprise entre 0,04 et 4 m2. De même, la masse 3 peut avoir un volume constituant 8 à 10000kg. La masse 3 a une capacité thermique qui peut être comprise entre 7 et 9000 kJ.m-3.K1 et une conductivité thermique comprise entre 180 et 220W.m-1.K1. 15 La masse 3 est de préférence reliée à la paroi 1 externe et au(x) conduit(s) 4 par coulage de métal sous forme liquide à température de fusion sur la paroi 1 de stockage et autour du ou des conduits 4. C'est-à-dire que le ou les conduits 4 sont noyés dans la masse 3, la masse étant surmoulée directement sur la paroi 1 externe et les conduits 4. 20 Comme illustré à la figure 3, la surface supérieure de la paroi 1 de stockage peut comporter au moins une plaque 7 métallique fixée (par exemple par soudage) sur la surface externe de la paroi 1 de stockage et faisant saillie transversalement par rapport à cette paroi 1. Ces plaques 7 comprenant au moins une courbure ou découpe (cf. figure 4). La masse 3 est surmoulée sur la portion 25 de paroi 1 externe comprenant le ou les plaques 7. Les plaques 7 sont noyées dans la masse (3) et via leur forme non rectiligne (en crochet par exemple) assurent une accroche mécanique entre la masse 3 et la paroi 7 de stockage, en particulier en cas de dilatations différentielles entre ces deux éléments. Comme illustré schématiquement à la figure 2, le réservoir comprend de 30 préférence une paroi externe 5 disposée de façon espacée autour de la paroi) de stockage. L'espace entre lesdites parois 1, 5 est maintenu sous vide à une pression inférieure à la pression atmosphérique et abrite une couche 6 isolation thermique. 304 106 1 7 De plus, le réservoir peut comporter un circuit de fluide comprenant une conduite 8) de soutirage de fluide contenu dans le volume délimité par la paroi 1 de stockage et une conduite 9 de retour de fluide vers le volume délimité par la paroi 1 de stockage. 5 Ces deux conduites 9, 8 peuvent être reliées à une application ou un organe de purification 12 du fluide stocké dans le réservoir. Dans le cas où cette application ou cet organe de purification 12 fonctionne à des températures relativement plus élevées que la température de stockage du fluide dans le réservoir, le conduite 8 de soutirage peut comprendre un échangeur 10 de 10 réchauffage du fluide soutiré et la conduite 9 de retour peut comprendre un échangeur 11 de refroidissement renvoyé dans le réservoir. C'est-à-dire que les conduites de soutirage 8 et de retour 9 selon reliées à l'application ou à l'organe de purification 12 en formant une boucle de circulation pour le fluide dans laquelle le fluide est soutiré et réchauffé (vaporisé) via la conduite 8 de soutirage, purifié 15 dans l'organe de purification et refroidi (condensé) et renvoyé dans le réservoir via la conduite 9 de retour. Bien entendu le réservoir peut comprendre un système de vannes et notamment des vannes de sécurité non représentés par soucis de simplification. REVENDICATIONS1. Réservoir de stockage de fluide liquéfié comprenant une paroi (1) de stockage dont la surface interne délimite un volume de stockage pour du fluide liquéfié, le réservoir comprenant un échangeur (2) de refroidissement du fluide contenu dans le réservoir pour notamment condenser des vapeurs dudit fluide, caractérisé en ce que l'échangeur (2) de refroidissement comprend une masse (3) de métal, notamment d'aluminium, dans laquelle est intégré au moins un conduit (4) d'un circuit de fluide caloporteur pour refroidir ladite masse (3) et en ce que la masse (3) est en contact et fixée sur la surface externe de la paroi (1) de stockage. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse (3) est en contact et fixée sur la surface externe de la partie supérieure de la paroi (1) de stockage. 3. Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la masse (3) est en contact avec la paroi (1) de stockage sur une surface comprise entre 0,04 et 4m2. 4. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse (3) a un volume constituant entre 8 et 10000kg de métal. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la masse (3) a une capacité calorifique massique (densités multipliée par capacité calorifique à pression constante) comprise entre 7 et 9000 kJ.nri3.K1 et une conductivité thermique comprise entre 180 et 220 W.rn-1.K1. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la masse (3) est reliée à la paroi (1) externe et conduit(s) (4) par coulage de métal sous forme liquide à température de fusion sur la paroi (1) de stockage et autour du ou des conduits (4), c'est-à- dire que le ou les conduits (4) sont noyés dans la masse (3), la masse étant surmoulée sur la paroi (1) externe et les conduits (4). 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque (7) métallique fixée sur 3041061 9 la surface externe de la paroi (1) de stockage et faisant saillie transversalement par rapport à cette paroi (1), la au moins une plaque (7) comprenant au moins une courbure ou découpe, la masse (3) étant surmoulée sur la portion de paroi (1) externe comprenant le ou les plaques 5 (7), c'est-à-dire que la ou les plaques (7) sont noyée dans la masse (3). 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi externe (5) disposée de façon espacée autour de la paroi (1) de stockage, l'espace entre lesdites parois (1, 5) étant maintenu sous vide à une pression inférieure à la pression 10 atmosphérique et comprenant une couche (6) isolation thermique. 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs conduits (4) réalisant plusieurs boucles ou lacets au sein de la masse (3). 10.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 15 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de fluide comprenant une conduite (8) de soutirage de fluide contenu dans le volume délimité par la paroi (1) de stockage et une conduite (9) de retour de fluide vers le volume délimité par la paroi (1) de stockage. 11.Réservoir selon la revendication 10, caractérisé en ce que la 20 conduite (8) de soutirage comprend un échangeur (10) de réchauffage du fluide soutiré et en ce que la conduite (9) de retour comprend un échangeur (11) de refroidissement renvoyé dans le réservoir. 12.Réservoir selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les conduites de soutirage (8) et de retour (9) sont reliées à une application ou 25 , un organe de purification du fluide (12) du réservoir en formant une boucle de circulation pour le fluide dans laquelle le fluide est soutiré via la conduite (8) de soutirage, purifié dans l'application ou l'organe de purification et renvoyé dans le réservoir via la conduite (9) de retour. 13.Dispositif de refroidissement d'un appareil utilisateur par transfert de 30 frigories entre un fluide liquéfié et ledit appareil utilisateur, le dispositif comprenant un réservoir de stockage de fluide liquéfié stockant un fluide cryogénique parmi : du xénon, du néon, ou tout autre fluide cryogénique un circuit de transfert de fluide depuis et vers le réservoir comprenant un 3041061 10 système de conduites et de vannes, caractérisé en ce que le réservoir est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12 et en ce que le dispositif comporte une source de fluide caloporteur tel que de l'azote liquide, et en ce que le au moins un conduit (4) du circuit de fluide caloporteur est 5 relié à ladite source de fluide caloporteur.