Brevet FR3072443A1 — publié le 20190419

L'invention concerne un dispositif de stockage de fluide cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une enceinte sous vide abritant un réservoir destiné à contenir du gaz liquéfié et une conduite ayant une extrémité amont reliée au 5 réservoir et une extrémité aval débouchant en dehors de l'enceinte pour évacuer du gaz, le dispositif comprenant un organe de maintien mécanique du réservoir dans l'enceinte. Dans le cadre d'applications industrielles ou d'équipements à vocation de recherche scientifique, la cryogénie (domaine des très basses températures, par 10 exemple pour des températures inférieures à la température de liquéfaction de l'azote) est un domaine où la réduction des entrées thermiques depuis l'environnement extérieur est un point technique critique. Ces installations utilisent souvent des réservoirs logés dans des enceintes isolées sous vide. Ces réservoirs peuvent être par exemple des pots de 15 récupération de liquide de colonnes de distillation, des pots séparateurs liquide/gaz... Les structures de maintien/support de tels réservoirs cryogéniques dans leur enceinte isolée (sous vide par exemple) comprennent généralement : - un système de cales conçues à partir d'isolants thermiques (mélange fibre 20 de verre/époxy par exemple), - un système de tirants (cas classique dans l'application des cryostats fonctionnant à la température de l'Hélium 4 liquide, ou plus bas par exemple). L'invention vise à améliorer l'efficacité mécanique et/ou thermique de ce maintien/support. 25 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 dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition g?nérique qu'en donne le préambule ci-dessus, est rssentiellement caractérisé en ce que ladite conduite est ou constitue un organe de maintien mécanique du 30 réservoir dans l'enceinte. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 2 - l'extrémité supérieure du réservoir est reliée rigidement à l'extrémité amont de la conduite et l'extrémité aval de la conduite est relié rigidement à la structure supérieure de l'enceinte, de sorte que le réservoir est suspendu dans l'enceinte par la conduite, - l'extrémité aval de la conduite est reliée mécaniquement à un ensemble de paroi(s) de supportage délimitant une portion supérieure de l'enceinte sous vide, - l'ensemble de paroi(s) de supportage est relié à la conduite et au reste de la structure de l'enceinte sous vide par soudage, - l'enceinte comporte une paroi supérieure, l'ensemble de paroi(s) de 10 supportage formant un dôme sur la paroi supérieure de l'enceinte et dont le volume interne communique avec le volume interne sous vide du reste de l'enceinte, - la conduite intègre entre ses extrémités amont et aval une colonne de distillation de fluide et/ou un séparateur de phase destinée être alimentée en fluide pour produire du liquide récupéré dans le réservoir, le gaz généré dans la colonne 15 de distillation et/ou le séparateur de phase étant récupéré dans la conduite et évacué vers l'extrémité aval de la conduite, - le dispositif comprend un écran thermique disposé autour d'au moins une partie du réservoir et/ou de la conduite, - l'écran thermique comprend une paroi tubulaire disposée autour d'au moins 20 une partie du réservoir et/ou de la conduite ladite paroi étant refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite, - le dispositif comprend un circuit de refroidissement de la paroi de l'écran comportant un tube enroulé sur la paroi et alimentée en gaz issu de la conduite, - le tube enroulé sur la paroi comprend une extrémité amont alimentée en 25 gaz prélevé à proximité de l'extrémité aval de la conduite, en aval de son extrémité amont, le tube s'enroule ensuite sur la paroi en direction de l'extrémité amont de la conduite, le tube comprend ensuite une extrémité aval qui vient se raccorder à proximité de l'extrémité aval de la conduite, de sorte que le gaz qui circule dans le tube progresse essentiellement à contre-courant du sens de circulation du gaz dans 30 la conduite, - le réservoir contient au moins l'un des constituant suivants liquéfié : du néon, de l'azote, du méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants) et en ce que le gaz évacué par la conduite comprend 3 au moins parmi : du néon, de l'azote, du méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants). L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 5 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 de côté, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible d'un dispositif de stockage selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple de réalisation possible d'un dispositif de stockage selon l'invention, - la figure 3 représente une vue de côté en coupe, schématique et partielle, d'un détail de la figure 2. Le dispositif de stockage de fluide cryogénique illustré à la figure 1 comprend une enceinte 2 sous vide abritant un réservoir 3 destiné à contenir du gaz liquéfié (par soucis de simplification des conduites d'amenée de fluide dans le réservoir 3 ne sont pas représentées). Le dispositif 1 comprend une conduite 4 verticale ayant une extrémité amont reliée au réservoir 3 et une extrémité aval débouchant en dehors de l'enceinte 2 sous vide, pour évacuer du gaz issu du réservoir. Selon une particularité avantageuse, la conduite 4 (par exemple métallique) constitue un organe de maintien mécanique du réservoir 3 (par exemple métallique) dans l'enceinte 2. L'extrémité supérieure du réservoir 3 est reliée mécaniquement à l'extrémité amont de la conduite 4 (par exemple par soudage) et l'extrémité aval de la conduite 4 est reliée mécaniquement (par exemple par soudage) à la structure supérieure de l'enceinte 2 sous vide. Ainsi le réservoir 3 peut être suspendu (par son col) dans l'enceinte 2 par la conduite 4. De préférence, l'extrémité aval de la conduite 4 est reliée (fixée) mécaniquement à la structure supérieure de l'enceinte 2 (de préférence métallique) via un ensemble de paroi(s) 5 de supportage mécanique (de préférence métallique). Par exemple cet ensemble de paroi(s) 5 de supportage forme comme un « dôme » sur l'extrémité supérieure de l'enceinte 2 (par exemple globalement cylindrique). Le volume interne de ce « dôme » est sous vide commun avec le reste du volume interne du reste de l'enceinte 2 (c'est-à-dire que ces deux volumes 5 communiquent et ont un vide commun). La température relativement faible du gaz qui transite dans la conduite 4 à la sortie de l'enceinte 2 (température typiquement comprise entre 15K et 130k permet de thermaliser (refroidir) ce support mécanique 4 et de limiter les entrées de chaleur dans le dispositif. Ceci est obtenu grâce au gradient thermique qui s'établit sur toute 10 la longueur de cette structure de support. Avantageusement ce volume clos délimité par l'élément 5 de supportage autour de l'extrémité aval de la conduite 4 de sortie est mis sous vide (c'est-à-dire à une pression inférieure à la pression atmosphérique, pour augmenter son isolation thermique ce vide est de préférence commun avec le vide du reste de l'enceinte 2). 15 L'ensemble de paroi(s) 5 délimitant ce volume et assurant une reprise d'efforts de support de la conduite 4 et du réservoir 3 sont par exemple soudées 6 sur la partie supérieure de l'enceinte 2 et sur l'extrémité aval de la conduite 4 (par exemple au niveau d'un collier 10 ou une bague montée sur la conduite 4). Ainsi, cette interface de soudage est à la température ambiante tandis que la température 20 de la conduite 4 s'établit à une température moyenne, intermédiaire entre la température du réservoir 3 et la température ambiante extérieure à l'enceinte 2. Les parois de l'enceinte 2 et du volume délimité par l'élément 5 de supportage peuvent être simples (ou doubles avec isolation sous vide). Pour limiter encore plus les entrées thermiques, un écran thermique 8 peut 25 être disposé autour d'au moins une partie du réservoir 3 et/ou de la conduite 4, notamment à l'intérieur de l'enceinte 2 cf. figure 2. Par exemple, l'écran thermique 8 comprend une paroi tubulaire disposée autour d'au moins une partie 1:1Li réservoir 3 et/ou de la conduite 4 ladite paroi 8 lant refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite 4, 30 permettant de limiter sensiblement les entrées de chaleur par rayonnement thermique. Comme schématisé à la figure 3, la conduite 4 peut intégrer entre ses extrémités amont et aval une colonne 7 de distillation de fluide située dans l'enceinte 5 2. Cette colonne peut être alimentée en fluide pour séparer et produire du liquide récupéré dans le réservoir 3. Le gaz généré dans la colonne 7 de distillation est récupéré dans la conduite 4 et évacué vers l'extrémité aval de la conduite 4 (cf. la flèche en pointillée qui symbolise la migration de gaz vers la partie supérieure de la 5 conduite 4). Comme illustré, l'écran thermique 8 peut s'étendre autour d'au moins une partie du réservoir 3 et de la colonne 7 de distillation. L'écran 8 peut le cas échéant s'étendre dans le volume sous vide délimité par l'ensemble de paroi(s) 5 assurant le maintien de la conduite 4 et du réservoir 3. 10 L'écran thermique comprend par exemple une paroi 8 conductrice thermique tubulaire (métal approprié, par exemple aluminium, cuivre ou nuances d'acier inoxydable) disposée autour d'au moins une partie du réservoir 3 et/ou de la conduite 4. La paroi 8 peut être refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite 4. A cet effet le dispositif peut comprendre un circuit de 15 refroidissement de la paroi 8 de l'écran comportant un tube 9 enroulé sur la paroi 8, par exemple soudé ponctuellement ou préférentiellement brasé (base étain ou argent, suivant le procédé de brasure à disposition) sur l'écran thermique 8 et alimentée en gaz issu de la conduite (gaz prélevé par exemple dans la conduite 4 dans la partie aval de la conduite 4 située encore dans l'enceinte 2). 20 Avantageusement, le contact mécanique permettra d'assurer un contact thermique plus efficace et de ce fait une thermalisation de l'écran thermique plus performante. Le tube 9 est enroulé sur la paroi 8 (par exemple le tube est métallique et soudé sur la paroi 8) et comprend une extrémité amont alimentée en gaz prélevé à proximité de l'extrémité aval de la conduite 4 puis une partie enroulée sur la paroi 8 25 en direction de l'extrémité amont de la conduite 4 (vers le bas sur les figures). Le tube 9 comprend ensuite une extrémité aval qui vient se raccorder à proximité de l'extrémité aval de la conduite 4 (par exemple dans le volume délimité Dar l'élément 5 de supportage). Ainsi le gaz froid circulant dans le tube 9 peut par exemple progresser sur la paroi 8 essentiellement à contre-courant du sens de 30 circulation du gaz/liquide dans la conduite 4. Ainsi, le support mécanique du réservoir 3 est refroidi et le réservoir 3 est muni d'un écran thermique maintenu à une température cryogénique. Ceci permet une protection du dispositif contre des entrées thermiques. 6 Le réservoir 3 peut contenir par exemple un mélange liquide/gaz comprenant au moins l'un des constituant suivants liquéfié : du néon, de l'azote, du méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants) et le gaz évacué par la conduite 4 comprend au moins parmi : du néon, de l'azote, du 5 méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants). La température du gaz prélevé dans la conduite 4 pour circuler dans le tube de refroidissement de la paroi de l'écran thermique peut être comprise entre 15K et 130K. 10 Un système de maintien radial (pour limiter un éventuel balancement du réservoir 3) peut être installé dans l'enceinte 2 notamment pour la période de transport du matériel. Par exemple, des anneaux de centrage constitués de matériaux isolants (résine à base d'époxy par exemple), peuvent être maintenus sur un pied relié mécaniquement à l'enceinte REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une enceinte (2) sous vide abritant un réservoir (3) destiné à contenir du gaz liquéfié et une conduite (4) ayant une extrémité amont reliée au réservoir (3) et une extrémité aval débouchant en dehors de l'enceinte (2) pour évacuer du gaz, le dispositif comprenant un organe (4) de maintien mécanique du réservoir (3) dans l'enceinte (2), caractérisé en ce que ladite conduite (4) est un organe de maintien mécanique du réservoir (3) dans l'enceinte (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du réservoir (3) est reliée rigidement à l'extrémité amont de la conduite (4) et l'extrémité aval de la conduite (4) est relié rigidement à la structure supérieure de l'enceinte (2), de sorte que le réservoir (3) est suspendu dans l'enceinte (2) par la conduite (4). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité aval de la conduite (4) est reliée mécaniquement à un ensemble de paroi(s) (5) de supportage délimitant une portion supérieure de l'enceinte (2) sous vide. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble de paroi(s) (5) de supportage est relié à la conduite (4) et au reste de la structure de l'enceinte (2) sous vide par soudage (6). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'enceinte (2) comporte une paroi supérieure et en ce que l'ensemble de paroi(s) (5) de supportage forme un dôme sur la paroi supérieure de l'enceinte et dont le volume interne communique avec le volume interne sous vide du reste de l'enceinte (2). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la conduite (4) intègre entre ses extrémités amont et aval une colonne (7) de distillation de fluide et/ou un séparateur de phase destinée être alimentée en fluide pour produire du liquide récupéré dans le réservoir (3), le gaz généré dans la colonne (7) de distillation et/ou le séparateur de phase étant récupéré dans la conduite (4) et évacué vers l'extrémité aval de la conduite (4). 8 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un écran thermique (8) disposé autour d'au moins une partie du réservoir (3) et/ou de la conduite (4). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'écran 5 thermique (8) comprend une paroi tubulaire disposée autour d'au moins une partie du réservoir (3) et/ou de la conduite (4) ladite paroi (8) étant refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite (4). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de refroidissement de la paroi (8) de l'écran comportant un tube (9) 10 enroulé sur la paroi (8) et alimentée en gaz issu de la conduite (4). 10.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tube (9) enroulé sur la paroi (8) comprend une extrémité amont alimentée en gaz prélevé à proximité de l'extrémité aval de la conduite (4), en aval de son extrémité amont, le tube (9) s'enroule ensuite sur la paroi (8) en direction de 15 l'extrémité amont de la conduite (4), le tube (9) comprend ensuite une extrémité aval qui vient se raccorder à proximité de l'extrémité aval de la conduite (4), de sorte que le gaz qui circule dans le tube (9) progresse essentiellement à contre-courant du sens de circulation du gaz dans la conduite (4). 20 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le réservoir (3) contient au moins l'un des constituant suivants liquéfié : du néon, de l'azote, du méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants) et en ce que le gaz évacué par la conduite comprend au moins parmi : du néon, de l'azote, 25 du méthane, de l'oxygène, de l'hydrogène ou de l'hélium (ou un mélange de ces constituants).