Brevet FR3123952A1 — publié le 20221216

Installation (1) de pompage de fluide cryogénique comprenant une enceinte (13) étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique, l’enceinte (13) abritant une chambre (3) de compression communiquant avec le bain et un piston (5) mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre (3) de compression, le piston (5) étant monté à une première extrémité d’une tige (50), l’appareil (1) comprenant un mécanisme (21) d'entraînement d’une deuxième extrémité de la tige (50) dans un mouvement d’allers-retours selon une direction (A) longitudinale, le mécanisme (21) d'entraînement comprenant un moteur (121) muni d’un arbre (211) tournant et un système (212) de transformation mécanique convertissant le mouvement de rotation de l’arbre (211) tournant en un mouvement de translation, en configuration de fonctionnement de l’installation (1), la direction (A) longitudinale de mouvement de la tige (50) du piston étant verticale, le moteur (21) étant fixé rigidement à un bâti (6) supérieur, caractérisée en ce que le système (212) de transformation mécanique est relié rigidement un moteur (121) via une structure (14) tubulaire disposée autour de l’arbre (211) tournant, la structure (14) tubulaire comprenant une première extrémité reliée rigidement au moteur (121) et/ou à un carter entourant ce dernier et une seconde extrémité reliée rigidement au système (212) de transformation mécanique et/ou à un carter entourant ce dernier, ladite structure (14) tubulaire étant apte et configurée pour absorber au moins une partie du couple et/ou les efforts générés dans la transmission de mouvement entre le moteur (121) et l’enceinte (13). Figure de l’abrégé : Fig. 1 Installation de pompage de fluide cryogénique et station de remplissage comprenant une telle installation. L’invention concerne une installation de pompage de fluide cryogénique ainsi qu’une station de remplissage comprenant une telle installation. L’invention concerne plus particulièrement une installation de pompage de fluide cryogénique comprenant une enceinte étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique, l’enceinte abritant une chambre de compression communiquant avec le bain et un piston mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre de compression, le piston étant monté à une première extrémité d’une tige, l’appareil comprenant un mécanisme d'entraînement d’une deuxième extrémité de la tige dans un mouvement d’allers-retours selon une direction longitudinale, le mécanisme d'entraînement comprenant un moteur muni d’un arbre tournant et un système de transformation mécanique convertissant le mouvement de rotation de l’arbre tournant en un mouvement de translation, en configuration de fonctionnement de l’installation, la direction longitudinale de mouvement de la tige du piston étant verticale, le moteur étant fixé rigidement à un bâti supérieur. Une solution classique d’actionnement d’une pompe à piston alternatif utilise un moteur et un système mécanique de transformation de mouvement de l’arbre rotatif du moteur en mouvement de translation (système à bielle/manivelle et/ou réducteur et/ou boîte de vitesse). La plupart des pompes cryogéniques connues fonctionnent avec un axe de piston horizontal. Ceci est possible avec une extrémité froide isolée sous vide. Dans des stations de ravitaillement en hydrogène, la pompe doit être disponible pour le pompage 24h/24h. Par conséquent, il est préférable de placer l'extrémité froide dans un bain de liquide cryogénique (« puisard ») isolé sous vide (« dewar ») pour s'assurer qu'il reste froid. Une orientation verticale du piston est dans ce cas plus appropriée. Dans ce cas, certaines adaptations sont nécessaires pour supporter de manière optimale l'actionneur d'entraînement et la pompe (moteur et mécanisme associé). Un système à cardan peut être utilisé pour transmettre le couple de la sortie de rotation de la boîte de vitesses du moteur à la manivelle de l’unité mécanique qui transforme le mouvement de rotation fourni par le moteur en un mouvement de translation alternatif de la tige du piston. Cela permet un montage optimal sans exiger des tolérances très contraignantes. Cependant, dans cette configuration, un couple est transféré à travers l’axe du cardan au mécanisme de transformation du mouvement de rotation en translation. Il n’y a en effet pas de système de contre-couple satisfaisant. Le carter du mécanisme devra supporter ce couple. Le couple sera ainsi transféré à travers toute la structure de pompage. Ceci n'est pas acceptable notamment en ce qui concerne la résistance mécanique du réservoir contenant le bain et la résistance globale de la structure. Même en dimensionnant ces éléments en conséquence, des risques subsistent quant aux potentiels problèmes de vibrations et de fatigue. Avec une solution hydraulique, il est relativement facile de placer la pompe verticalement car le vérin hydraulique est relativement petit. L'énorme bloc d'alimentation peut quant à lui être déporté à plusieurs mètres. Pourtant, la disposition générale et l'efficacité ne sont pas adaptées à l'application. Une solution à actionneur linéaire à vis à rouleaux est également facile à mettre en œuvre du fait de sa compacité. Cette solution n'est cependant pas adaptée aux applications cryogéniques à haute pression en raison d'une faible efficacité et fiabilité. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le système de transformation mécanique est relié rigidement un moteur via une structure tubulaire disposée autour de l’arbre tournant, la structure tubulaire comprenant une première extrémité reliée rigidement au moteur et/ou à un carter entourant ce dernier et une seconde extrémité reliée rigidement au système de transformation mécanique et/ou à un carter entourant ce dernier, ladite structure tubulaire étant apte et configurée pour absorber au moins une partie du couple et/ou les efforts générés dans la transmission de mouvement entre le moteur et l’enceinte. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la structure tubulaire comprend une ouverture d’accès à l’arbre tournant, la structure tubulaire est composée de plusieurs pièces assemblées, par exemple deux demi-coquilles assemblées, la structure tubulaire est composée de plusieurs pièces assemblées, par exemple deux demi-coquilles assemblées, l’arbre tournant est accouplé au système de transformation mécanique via un axe comprenant un système de liaison tel qu’une liaison rigide ou un cardan, le moteur est suspendu à son bâti supérieur, le système de transformation mécanique est suspendu au moteur via la structure tubulaire, l’enceinte étanche est suspendue au système de transformation mécanique, l’installation comprend un réservoir de gaz liquéfié, notamment de l’hydrogène, ledit réservoir étant relié fluidiquement par un ensemble de conduites à l’enceinte et configurées pour alimenter la chambre de compression en fluide à comprimer et récupérer le fluide évaporé dans l’enceinte, le système mécanique convertissant le mouvement de rotation de l’arbre tournant en un mouvement de translation de la tige du piston est du type à bielle et manivelle, le moteur est logé dans un carter fixé au bâti supérieur, l’installation est du type à un étage de compression c’est-à-dire que le fluide est comprimé une seule fois entre un système d’admission et un système d’évacuation dans la chambre de compression, l’installation est du type à deux étages de compression c’est-à-dire que le fluide est comprimé deux fois entre un système d’admission et un système d’évacuation, l’installation comprenant deux chambres de compression, un système d’admission communiquant avec une première chambre de compression, un système de transfert communiquant avec la première et la seconde chambre de compression et configuré pour permettre le transfert de fluide comprimé dans la première chambre de compression vers la seconde chambre de compression, le piston mobile assurant alternativement la compression du fluide dans les première et seconde chambres de compression selon son sens de déplacement un système d’évacuation communiquant avec la seconde chambre de compression, la compression du fluide dans la chambre de compression est obtenue par une traction ou une compression de la tige. L’invention concerne également une station de remplissage de réservoirs ou de conduites de gaz sous pression comprenant une source de gaz liquéfié, notamment un réservoir d’hydrogène liquéfié, un circuit de soutirage ayant une première extrémité reliée à la source et au moins une seconde extrémité destinée à être raccordée à un réservoir à remplir, le circuit de soutirage comprenant une installation de pompage conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible d’une installation de pompage selon l’invention, représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un détail de la structure de support de l’installation de pompage selon l’invention, représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un détail de l’installation et en particulier un exemple de structure de chambre de compression, représente une vue schématique et partielle, illustrant un exemple de station de remplissage utilisant un tel appareil de compression. L’installation 1 de pompage de fluide cryogénique représentée comprend une enceinte 13 étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique. L’enceinte 13 peut être isolée thermiquement sous vide et abrite une chambre 3 de compression communiquant avec le bain et un piston 5 mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre 3 de compression cf. . Le piston 5 est monté à une première extrémité d’une tige 50 de piston. L’appareil 1 comprend un mécanisme 21 d'entraînement d’une deuxième extrémité de la tige 50 dans un mouvement d’allers-retours selon une direction A longitudinale de mouvement. Le mécanisme 21 d'entraînement comprend un moteur 121 (avec le cas échéant une boîte de vitesses ou autre) muni d’un arbre 211 tournant et un système 212 de transformation mécanique convertissant le mouvement de rotation de l’arbre 211 tournant en un mouvement de translation de la tige 50. Le système mécanique 212 convertissant le mouvement de rotation de l’arbre 211 tournant en un mouvement de translation de la tige 50 du piston peut être du type à bielle et manivelle et logé dans un carter. L’arbre 211 tournant du moteur 121 est accouplé au système 212 de transformation mécanique via un axe comprenant un système de liaison tel qu’une liaison rigide ou un cardan par exemple. Un accouplement avec cardan peut permettre de plus grandes tolérances de montage. L'accouplement à cardan entre les deux unités permet également de transférer le couple «utile» de manière optimale avec un entretien relativement facile. Ces éléments (moteur 121 et système 212 de transformation mécanique) peuvent être logés dans des carters respectifs. Le système 212 de transformation de mouvement (et son carter) peut être retiré facilement pour accéder à l'extrémité froide placée verticalement sous le mécanisme (sous une manivelle notamment dans le cas d’un mécanisme à bielle et manivelle). Comme illustré, en configuration de fonctionnement de l’installation 1 la direction A longitudinale de mouvement de la tige 50 du piston est verticale. Le moteur 121 est fixé rigidement à un bâti 6 supérieur comprenant par exemple une poutre horizontale. Le moteur 121 peut notamment être suspendu à son bâti 6 supérieur. Le bâti supérieur du moteur 121 peut comprendre un premier ensemble de poutre(s) 6 support horizontales reliées à une structure 60 portante comprenant des pieds verticaux reposant sur le sol. Le système 212 de transformation mécanique est relié rigidement un moteur 121 via une structure 14 tubulaire disposée autour de l’arbre 211 tournant. Cette structure 14 tubulaire comprend une première extrémité reliée rigidement au moteur 121 et/ou à un carter entourant ce dernier et une seconde extrémité reliée rigidement au système 212 de transformation mécanique et/ou à un carter entourant ce dernier. Cette structure 14 tubulaire, par exemple cylindrique, est rigide et apte et configurée pour absorber au moins une partie du couple d’efforts générés dans la transmission de mouvement entre le moteur 121 et l’enceinte 13. La section de la structure tubulaire 14 peut avoir d’autres formes que circulaire, par exemple carrée, rectangulaire, ou autre. Le système 212 de transformation mécanique peut ainsi être suspendu au moteur 121 via la structure 14 tubulaire. L’enceinte 13 étanche peut quant à elle être suspendue au système 212 de transformation mécanique. C’est-à-dire qu’une extrémité supérieure du récipient 13 peut être suspendue à une extrémité inférieure du système 212 de transformation mécanique (notamment à son carter) par un organe 9 de liaison tel qu’un ou plusieurs axes et/ou un manchon. L’extrémité inférieure du récipient 13 peut ainsi être située au-dessus du sol sans reposer sur un support inférieur. Cette structure 14 tubulaire possède en effet une bonne résistance à la torsion pour reprendre le couple et/ou les efforts transmis par le moteur de part et d’autre de l’axe 211. Comme illustré à la , la structure 14 tubulaire peut comprendre une ouverture 15 d’accès à l’arbre 211 tournant, notamment à un cardan dans le cas où l’arbre 211 possède un cardan. En effet, l’arbre 211 tournant peut être accouplé au système 212 de transformation mécanique via un axe comprenant un système de liaison tel qu’une liaison rigide ou un cardan. Ceci permet des interventions sans nécessiter un démontage complet. Cette ouverture 15 peut le cas échéant être refermable par un cache amovible. La structure 14 tubulaire peut être composée de plusieurs pièces assemblées, par exemple deux demi-coquilles assemblées selon des jonctions longitudinales autour de l’arbre 211. Dans l’exemple illustré, l’installation 1 comprend un réservoir 17 de gaz liquéfié, notamment de l’hydrogène. Le réservoir 17 est relié fluidiquement à l’enceinte 13 par un ensemble de conduites 10, 11 et configurées pour alimenter la chambre 3 de compression en fluide à comprimer et récupérer le cas échéant le gaz de vaporisation généré notamment dans l’enceinte 13. Ce réservoir 17 peut reposer au sol. Comme mentionné précédemment, les conduites 10, 11 peuvent comprendre des portions souples. En effet comme décrit plus en détail ci-après, les conduites cryogéniques reliant ce récipient 13 et un réservoir 17 de liquide cryogénique peuvent être souples pour absorber les contractions thermiques et permettent de tolérer des défauts d'alignement mineurs. La structure de l’installation présente de nombreux avantages. Outre une transmission de mouvement entre le moteur 121 et l’axe 50 sans couple néfaste, la structure est particulièrement adaptée à une maintenance aisée (via par exemple le démontage d’un élément suspendu, notamment un carter pour accéder au(x) mécanisme(s)). Le mécanisme d’entraînement (moteur + éventuellement réducteur ou boîte de vitesse) ne doit pas être démontée pendant une maintenance du côté froid de la partie de pompage cryogénique. La fréquence de maintenance de la partie moteur 121 est en effet généralement plus faible que la partie d’entraînement froide. La structure proposée permet des accès à la partie froide 212 sans démonter la partie moteur 121 (contrôle visuel, nettoyage, remplacement de joints, lubrification…). L’installation 1 est compacte avec une disposition basse au sol. Ceci est adapté à son intégration dans une station de remplissage. Le moteur 121 et le réducteur associé peuvent être des éléments standard, notamment à structure antidéflagrante ou à sécurité renforcée. Le moteur 121 et le système de transformation 212 peuvent être placés relativement selon différentes configurations, notamment horizontalement, verticalement, avec l'arbre 211 rotatif dans cet axe ou perpendiculairement selon le modèle de système 212 de réducteur utilisé (hélicoïdal, biseau hélicoïdal, vis sans fin, arbre parallèle hélicoïdal, réducteur à angle droit). L’ensemble moteur 211 et son éventuel réducteur illustré duquel l’axe tournant 211 fait saillie peut le cas échéant être avantageusement remplacé par un moteur à couple (donc sans boîtier de réduction ou boîte de vitesse). Dans ce cas, pas de problème d’huile dû à la lubrification. De plus, dans ce cas l’ensemble est plus compact de masse réduite. De plus, un tel ensemble moteur présente plus de flexibilité sur le réglage de la vitesse (profil de vitesse et vitesse de rotation notamment). La illustre schématiquement un exemple de chambre de compression (un seul étage de compression) avec un système 2 d’admission communiquant avec la chambre 3 de compression configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans la chambre 3 de compression, un piston 5 mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre 3 de compression, et un système 7 d’évacuation communiquant avec la chambre 3 de compression et configuré pour permettre la sortie de fluide comprimé. La compression du fluide dans la chambre de compression peut être obtenue par une traction ou une compression de la tige 50. Bien entendu, l’invention s’applique également à des pompes à deux étages de compression (par exemple deux chambres de compression et deux étages de compression selon respectivement les deux sens de translation du piston). La représente un exemple de station de remplissage de réservoirs ou de conduites de gaz sous pression comprenant une source 17 de gaz liquéfié, notamment d’hydrogène liquéfié, un circuit 18 de soutirage ayant une première extrémité reliée à la source et au moins une seconde extrémité destinée à être raccordée à un réservoir 190 à remplir. Le circuit 18 de soutirage comprenant un appareil 1 de compression conforme à l’installation selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus. Bien que le l’enceinte 13 soit suspendue au système 212 de transformation mécanique, il est possible d’envisager de prévoir un ou plusieurs pieds reliant l’enceinte au sol, le cas échéant via une liaison flexible et/ou ajustable. Ceci peut être lors d’opération de maintenance et/ou en situation de fonctionnement normale pour par exemple encore mieux maintenir l’enceinte 13 et absorber d’éventuelles vibrations par exemple. De même, l’extrémité inférieure de l’enceinte pourrait reposer sur un support, par exemple dans un logement qui assure un maintien latéral. Installation (1) de pompage de fluide cryogénique comprenant une enceinte (13) étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique, l’enceinte (13) abritant une chambre (3) de compression communiquant avec le bain et un piston (5) mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre (3) de compression, le piston (5) étant monté à une première extrémité d’une tige (50), l’appareil (1) comprenant un mécanisme (21) d'entraînement d’une deuxième extrémité de la tige (50) dans un mouvement d’allers-retours selon une direction (A) longitudinale, le mécanisme (21) d'entraînement comprenant un moteur (121) muni d’un arbre (211) tournant et un système (212) de transformation mécanique convertissant le mouvement de rotation de l’arbre (211) tournant en un mouvement de translation, en configuration de fonctionnement de l’installation (1), la direction (A) longitudinale de mouvement de la tige (50) du piston étant verticale, le moteur (21) étant fixé rigidement à un bâti (6) supérieur, caractérisée en ce que le système (212) de transformation mécanique est relié rigidement un moteur (121) via une structure (14) tubulaire disposée autour de l’arbre (211) tournant, la structure (14) tubulaire comprenant une première extrémité reliée rigidement au moteur (121) et/ou à un carter entourant ce dernier et une seconde extrémité reliée rigidement au système (212) de transformation mécanique et/ou à un carter entourant ce dernier, ladite structure (14) tubulaire étant apte et configurée pour absorber au moins une partie du couple et/ou les efforts générés dans la transmission de mouvement entre le moteur (121) et l’enceinte (13). Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure (14) tubulaire comprend une ouverture (15) d’accès à l’arbre (211) tournant. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la structure (14) tubulaire est composée de plusieurs pièces assemblées, par exemple deux demi-coquilles assemblées. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’arbre (211) tournant est accouplé au système (212) de transformation mécanique via un axe comprenant un système de liaison tel qu’une liaison rigide ou un cardan. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur (121) est suspendu à son bâti (6) supérieur. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système (212) de transformation mécanique est suspendu au moteur (121) via la structure (14) tubulaire. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’enceinte (13) étanche est suspendue au système (212) de transformation mécanique. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un réservoir (17) de gaz liquéfié, notamment de l’hydrogène, ledit réservoir (17) étant relié fluidiquement par un ensemble de conduites (10, 11) à l’enceinte (13) et configurées pour alimenter la chambre de compression en fluide à comprimer et récupérer le fluide évaporé dans l’enceinte (13). Station de remplissage de réservoirs ou de conduites de gaz sous pression comprenant une source (17) de gaz liquéfié, notamment un réservoir d’hydrogène liquéfié, un circuit (18) de soutirage ayant une première extrémité reliée à la source et au moins une seconde extrémité destinée à être raccordée à un réservoir (190) à remplir, le circuit (18) de soutirage comprenant une installation (1) de pompage conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 8.