Brevet FR3071277A1 — publié le 20190322

L'invention concerne une pompe cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement une pompe cryogénique prévue pour le pompage de fluides cryogéniques et notamment de l'hydrogène liquide comprenant un corps abritant un circuit fluidique comprenant, disposés en série, une entrée de fluide destinée à être raccordée à une source de liquide, un clapet d'aspiration, une chambre de compression délimitée par un organe de compression mobile dans le corps, tel qu'un piston, un clapet de refoulement du fluide comprimé et une sortie destinée à être raccordée à un circuit utilisateur du fluide comprimé. L'invention concerne en particulier le pompage de fluides (ou liquides) cryogéniques. L'invention concerne en particulier la compression d'hydrogène, notamment pour les stations de remplissage de réservoirs d'hydrogène. Le pompage d'hydrogène liquide permet de diminuer les coûts de compression par rapport à une compression d'hydrogène gazeux étant donné qu'il est plus facile de pomper un volume de liquide incompressible qu'un volume de gaz. Un des problèmes des pompes cryogéniques en général, et des pompes à hydrogène liquide en particulier réside dans le fait que ce fluide est très peu dense (70g/I à 1 bar). Il est alors difficile de fournir à la pompe le NPSH requis (« Net Positive Suction Head », soit la différence de pression entre la pression de saturation du fluide à la température d'utilisation et la pression d'aspiration du fluide nécessaire pour que la pompe fonctionne sans cavitation). Cette valeur de pression minimale à l'aspiration est difficilement réalisable par simple installation physique du réservoir liquide source en charge sur l'installation de pompage (pression hydrostatique). En effet, une pompe classique à 700 bar a un NPSH requis d'environ 250 mbar. Ceci correspond à une hauteur d'hydrogène liquide de 35 m. Il est donc presque impossible de faire fonctionner la pompe avec un réservoir de liquide source installé en charge sur la pompe à une hauteur de 35m (de plus, les pertes de charge en lignes compenseraient l'installation en charge du réservoir). Il faut donc pouvoir sous-refroidir le liquide et aspirer ce liquide sous-refroidi. Pour pomper des fluides peu denses (particulièrement l'hydrogène ou l'hélium), il est donc particulièrement important d'utiliser des pompes ayant des NPSH requis les plus faibles possibles. De plus, l'hydrogène liquide saturé sous pression est moins dense que l'hydrogène à la pression atmosphérique. Par exemple, la densité de l'hydrogène saturé 2 à 1 bar abs est de 70 g/I alors qu'elle est de 56g/I à 7 bar abs. Etant donné que les pompes à hydrogène liquide sont des systèmes volumiques, il est donc intéressant d'aspirer l'hydrogène le plus dense possible afin d'optimiser les quantités pompées. Le liquide doit donc être donc saturé à la plus basse pression possible. 5 Généralement, une pompe cryogénique volumétrique aspire le fluide dans la chambre de compression par le piston en mouvement à travers un clapet d'aspiration du type anti-retour. Une fois en position de point mort bas, le clapet se referme grâce à son ressort de rappel (ou la gravité), et le fluide est alors comprimé par le mouvement inverse du piston. Une fois la contre pression du réseau haute pression atteinte, le 10 clapet de refoulement s'ouvre du fait du différentiel de pression de part et d'autre du clapet (excédant sa gravité ou la force de rappel exercée par un ressort). Le fluide haute pression est alors injecté dans le réseau haute pression jusqu'à ce que le piston atteigne sa position de point mort haut. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de 15 l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, la pompe selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le clapet d'aspiration est un clapet à ouverture commandée. Selon l'invention, et contrairement à l'art antérieur où la force motrice qui ouvre 20 le clapet d'aspiration est réalisée par une différence de pression du fluide entre l'intrados et l'extrados du clapet, au moins l'ouverture du clapet est commandée, c'est-à-dire réalisée par un organe moteur (de préférence automatiquement). Cette configuration confère au clapet d'aspiration une très faible perte de charge (inférieure aux solutions de l'art antérieur). Cette faible perte de charge du clapet 25 d'aspiration est assurée par la motorisation de celui-ci (c'est-à-dire que son ouverture n'est pas le résultat d'une perte de charge du liquide). Ceci diminue d'autant la NPSH requise par la pompe. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 30 - le clapet d'aspiration comprend un obturateur mobile relativement à un siège, l'obturateur mobile étant entraîné par un organe actuateur commandé, - l'organe actuateur est configuré pour commander au moins l'ouverture du clapet d'aspiration en fonction de la position de l'organe de compression mobile, 3 - l'organe actuateur commandé est du type mécanique, électromécanique, hydraulique, pneumatique, électronique ou électromagnétique, - l'organe actuateur est du type mécanique et comprend un mécanisme de transmission du mouvement entre d'une part, l'organe de compression mobile ou son 5 organe de commande et, d'autre part, le clapet d'aspiration, - l'organe actuateur est du type électromécanique ou électromagnétique et comprend un microprocesseur ou calculateur de commande du mouvement du clapet d'aspiration en fonction de la position de l'organe de compression ou son organe de commande. 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, schématique et partielle, illustrant un 15 premier exemple possible de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple possible de réalisation de l'invention. La pompe 1 cryogénique illustrée à la figure 1 comprend classiquement un corps 2 abritant un circuit 3 fluidique comprenant, disposés en série, une entrée 4 de fluide 20 destinée à être raccordée à une source de liquide, un clapet 5 d'aspiration, une chambre 6 de compression délimitée par un organe de compression mobile dans le corps 2 tel qu'un piston 7, un clapet 8 de refoulement du fluide comprimé et une sortie 9 destinée à être raccordée à un circuit utilisateur du fluide comprimé. Selon une particularité avantageuse, le clapet 5 d'aspiration est un clapet à 25 ouverture commandée notamment par un organe motorisé. Ainsi, contrairement à l'art antérieur où une grande partie du NPSH requis par la pompe 1 provient de la perte de charge engendré par le passage du fluide dans le clapet d'aspiration de la pompe (usuellement assimilable à une plaque plane maintenue en position fermée par un ressort du type fonction anti retour), la structure selon 30 l'invention ne nécessite pas du fluide qu'il contrecarre la force d'un ressort pour ouvrir le clapet. Ceci permet d'éviter une perte de charge, donc éventuellement une vaporisation localisée (« flash liquide »). 4 La structure décrite permet d'optimiser le fonctionnement d'une pompe volumétrique pour un fluide peu dense en utilisant un clapet 5 d'aspiration à faible perte de charge. Le clapet 5 est ouvert de manière motorisée, par exemple via un arbre à came, 5 un actionneur à moteur électrique, un électro-aimant, un actionneur pneumatique, un actionneur hydraulique ou tout autre système comparable approprié. Le clapet 5 d'aspiration est ainsi ouvert de manière indépendante mais concomitante au mouvement du fluide. Cette configuration permet de limiter la perte de charge dans le clapet 5 et donc 10 de limiter le NPSH requis par la pompe 1. Le clapet 5 d'aspiration peut être aussi une vanne actionnée mécaniquement lors de l'aspiration du fluide. La vanne ou le clapet 5 sera positionnée de préférence le plus près possible de la chambre 6 de compression, afin de limiter les volumes morts de compression. 15 Dans le mode de réalisation de la figure 1, le clapet 5 comporte un obturateur mobile relativement à un siège qui est commandé par un actionneur électromécanique (bobines 11 de commande pilotées par un organe 12 électronique actuateur comprenant par exemple un microprocesseur). L'organe 11, 12 actuateur du clapet 5 peut être configuré de sorte que lorsque 20 le piston 7 de compression est en position de point mort haut (PMH), le clapet 5 d'aspiration est ouvert. Le fluide est alors aspiré dans la chambre 5 de compression jusqu'à ce que le piston 7 de compression atteigne le point mort bas (PMB). Dans cette configuration l'organe 11, 12 actuateur ferme le clapet d'aspiration 5, et le fluide est alors refoulé à haute pression via le clapet 8 de refoulement vers la sortie 9 lors du 25 retour du piston 7 vers le PMH. Les commandes d'ouverture/fermetures du clapet 5 d'aspiration peuvent être asservies à des signaux représentatifs de la position du piston 7 de compression (capteur(s) de position ou d'état du moteur ou de son axe 15 d'entraînement par exemple). La fermeture du clapet 5 d'aspiration peut être commandée (déplacement 30 réalisée par l'actuateur 11, 12) ou en interrompant l'effort de déplacement du clapet 5 dans le sens de l'ouverture, le clapet 5 pouvant éventuellement revenir alors en position fermée sous l'action d'un ressort de rappel (non représenté). Le processus recommence lorsque le piston 7 de compression atteint à nouveau le point mort haut. 5 Dans le mode de réalisation de la figure 2 l'organe actuateur comprend un mécanisme 13, 14 de type mécanique, par exemple un système de transmission de mouvement qui couple le mouvement du clapet 5 d'aspiration à la position du piston 7 de compression. Ce mécanisme peut comporter des axes, cames, tringlerie ou tout 5 élément approprié accouplé par exemple à un arbre 15 moteur relié au piston 7 de compression. Le clapet 5 d'aspiration peut être notamment de forme conique reposant sur un siège conique ou plat reposant sur une surface siège plan, ou de type obturateur rotatif motorisé (boule). 10 La pompe 1 est particulièrement adaptée au pompage de tout liquide cryogénique peu dense, tel que hydrogène et hélium liquide, ainsi que leurs isotopes. Ainsi l'ouverture et la fermeture du clapet 5 d'aspiration peut être contrôlée et commandée pour être concomitantes respectivement aux points morts hauts et bas du piston pour optimiser le rendement de la compression. 15 Cette concomitance peut être réalisée soit mécaniquement avec un arbre à came monté sur le vilebrequin qui actionne le piston de compression, soit électroniquement via un micro processeur synchronisé avec le mouvement du piston 7 de compression. L'ouverture et la fermeture du clapet 5 d'aspiration peut être contrôlée et 20 commandée pour ne pas être concomitantes avec les points morts hauts et bas du piston de manière à par exemple abaisser le débit volumique de la pompe sans changer la fréquence et la course du piston. Le clapet 8 de refoulement peut être soit de forme aiguille, boule, REVENDICATIONS1. Pompe cryogénique prévue pour le pompage de fluides cryogéniques et notamment de l'hydrogène liquide comprenant un corps (2) abritant un circuit (3) fluidique comprenant, disposés en série, une entrée (4) de fluide destinée à être raccordée à une source de liquide, un clapet (5) d'aspiration, une chambre (6) de compression délimitée par un organe de compression mobile dans le corps (2), tel qu'un piston (7), un clapet (8) de refoulement du fluide comprimé et une sortie (9) destinée à être raccordée à un circuit utilisateur du fluide comprimé, caractérisée en ce que le clapet (5) d'aspiration est un clapet à ouverture commandée. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet (5) d'aspiration comprend un obturateur mobile relativement à un siège (10) et en ce que l'obturateur mobile est entraîné par un organe actuateur (11, 12, 13, 14) commandé. 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'organe actuateur (11, 12) est configuré pour commander au moins l'ouverture du clapet (5) d'aspiration en fonction de la position de l'organe (7) de compression mobile. 4. Pompe selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'organe actuateur (11, 12) commandé est du type mécanique, électromécanique, hydraulique, pneumatique, électronique ou électromagnétique. 5. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'organe actuateur (11, 12) est du type mécanique et comprend un mécanisme (13, 14) de transmission du mouvement entre d'une part, l'organe (7) de compression mobile ou son organe (15, 16) de commande et, d'autre part, le clapet (5) d'aspiration. 6. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'organe actuateur (11, 12) est du type électromécanique ou électromagnétique et comprend un microprocesseur ou calculateur (12) de commande du mouvement du clapet (5) d'aspiration en fonction de la position de l'organe (7) de compression ou son organe (15, 16) de commande.