Brevet FR3131616A1 — publié le 20230707

La présente invention concerne un dispositif de canalisation isolée et flexible, à haute performance thermique, pour le transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs. Le dispositif est constitué d’un ou de plusieurs tubes internes (1) dans lequel ou lesquels circulent un ou des fluides cryogéniques et qui sont contenus dans un tube externe (2), caractérisé par le fait que l’espace entre le ou les tubes internes (1) et le tube externe (2) est rempli par des sphères ou des microsphères (3). L’espace dans lequel sont situées les sphères ou microsphères peut être, soit pressurisé avec un gaz d’inertage, soit au contraire mis sous vide pour favoriser l’isolation thermique. Tout ou partie du ou des tubes internes (4) et/ou du tube externe (5) peuvent être ondulés pour permettre leurs rétractations sous de faibles contraintes et accroître la flexibilité de la ligne, notamment lorsque les conditions d’utilisation nécessitent une certaine épaisseur du ou des tubes internes et/ou du tube externe. L’ensemble du ou des tubes internes et du tube externe peut être inséré dans une enveloppe isolante (6). DISPOSITIF DE CANALISATION ISOLÉE ET FLEXIBLE POUR LE TRANSPORT DES FLUIDES CRYOGÉNIQUES, RÉFRIGÉRANTS ET/OU CALOPORTEURS. La présente invention concerne un dispositif de canalisation isolée et flexible, à haute performance thermique, pour le transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs. Par canalisation, il faut entendre ici, un tuyau en une ou plusieurs parties, capable de transférer un ou des fluides, liquides ou gazeux ou sous forme de plasma ou en état polyphasiques, de même nature ou de natures différentes. Le terme flexible s’entend comme tout ou partie souple, capable de se courber et susceptible d’accepter des déformations au montage et/ou en fonctionnement sans se rompre, en opposition à un système dit rigide qui ne se déforme pas ou très peu, et qui casse quand on lui impose un déplacement important. La problématique des canalisations de transport de fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs à haute performance thermique nécessite la recherche d’un compromis entre la sécurité, la performance thermique, la fiabilité notamment mécanique et les coûts d’achats, de montage et d’entretien de l’installation. La nature du ou des fluides transportés a naturellement son importance en termes de risque de défaillance et de compatibilité avec les matériaux utilisés. Cette problématique est particulièrement manifeste dans le cadre des lignes de transfert des fluides cryogéniques. Elle consiste à trouver un design qui permette à la fois de minimiser les pertes thermiques, d’assurer le mouvement de rétractation de la tuyauterie du fluide cryogénique lors de sa mise en froid, et d’assurer l’intégrité de la ligne notamment en cas de rupture de l’isolation. Par ailleurs, le risque d’une défaillance est particulièrement élevé dans le cadre du transport de l’hydrogène liquide. Les technologies actuelles des dispositifs de transport des fluides cryogéniques s’agencent autour d’une ou plusieurs lignes internes de transfert des fluides cryogéniques, isolées individuellement ou par groupes et contenues dans une enveloppe extérieure sous un vide poussé. Ces phases d’isolation des tubes internes avec un isolant multicouche sont appelées « superisolation ». Elles sont minutieuses, réalisées le plus souvent manuellement, à l’origine de nombreuses imperfections (court-circuit thermique et/ou trou d’écrantage) et une source importante du coût des installations. La ou les tuyauteries internes sont maintenues en position par rapport à l’enveloppe extérieure, par l’intermédiaire de supports internes fixes ou glissants pour autoriser le déplacement du tube interne par rapport à l’enveloppe externe. Ces supports, souvent appelés « espaceurs », doivent à la fois être rigides pour reprendre des efforts importants, et de faibles épaisseurs pour limiter l’échange thermique entre la zone « froide » et la zone « chaude ». L’utilisation d’un soufflet est une solution pour compenser la contraction thermique en froid de la tuyauterie interne et limiter les contraintes dans la canalisation. Mais ces derniers n’offrent qu’un degré de liberté de mouvement longitudinal. Par ailleurs, la rétractation radiale se traduit par des contraintes, des jeux ou des déplacements des éléments internes. Des supports externes fixes et glissants (pour prévenir d’une défaillance de vide) maintiennent l’enveloppe externe en position dans son environnement. Cette conception nécessite de trouver un compromis entre la performance thermique et la solidité de la ligne. Par ailleurs, il s’agit d’un ouvrage de type rigide nécessitant une grande précision de fabrication et de montage, notamment par une adaptation précise à la géométrie du milieu environnant. La présente invention est constituée d’un ou de tubes internes (1) dans lequel circule un ou des fluides cryogéniques, contenus dans un tube externe (2), et caractérisée par le fait que l’espace entre le ou les tubes internes (1) et le tube externe (2) est remplie par des sphères ou des microsphères (3) pleines ou creuses. Ces sphères ou microsphères, dont le diamètre moyen peut varier de quelques dizaines de micromètres à quelques millimètres, peuvent être réalisées en verre, en matière polymère ou céramique, en carbone voir à base de matériaux métalliques. Elles sont éventuellement revêtues par un ou des traitements isolants et/ou aux pouvoirs rayonnants. L’espace dans lequel sont situées les sphères est, soit pressurisé avec un gaz d’inertage, soit au contraire tiré au vide pour favoriser l’isolation thermique. Les sphères maintiennent le ou les tubes internes centrés dans l’enveloppe extérieure. Elles participent à l’isolation thermique en minimisant la conduction par augmentation du chemin parcouru et diminution de la section de passage, particulièrement dans le cas des sphères ou microsphères creuses. Par leur bonne résistance en compression, elles contribuent à la reprise des efforts de pression des tubes internes en transférant une partie de la contrainte sur les tubes supérieurs ou l’enveloppe externe. Par ailleurs les sphères ou microsphères génèrent une « résistance hydraulique » également appelée « perte de charge » qui retarde et limite le débit d’éventuelles fuites sur le ou les tubes internes, y compris lorsque l’enveloppe extérieure est sous vide. Par ailleurs ces sphères ou microsphères permettent un amortissement des vibrations, qu’elles proviennent par exemple de phénomènes transitoires internes aux fluides ou d’accélérations que subit l’enveloppe extérieure ou l’installation générale. Le dispositif est donc davantage sécuritaire. Les sphères peuvent tourner sur elle-même, bouger, glisser les unes par rapport aux autres et le long du ou des tubes internes et sur le tube externe, ce qui autorise les mouvements relatifs des tubes et des éléments internes et du tube externe, ainsi que la flexibilité de l’ensemble. La matière, les traitements, la taille (diamètre et épaisseur) et la quantité (densité de remplissage) des sphères ou microsphères seront ajustés en fonction des contraintes mécaniques, du degré de flexibilité et du niveau d’isolation recherché. Les sphères ou microsphères seront introduites dans les interstices entre les tuyaux internes et le tuyau externe lors de la fabrication du dispositif ou lors du montage final du dispositif sur l’installation définitive in situ, soit par gravité, sous par injection sous pression, soit par aspiration, soit par une combinaison de ces techniques. De même pour favoriser le remplissage et l’évacuation de l’air des techniques de type « vibré » peuvent être associées aux procédés précédents. Le principe d’isolation par des sphères ou des microsphères est donc particulièrement productif au regard des technologies traditionnelles de superisolation. Dans certaines conditions, un ou des supports traditionnels « espaceurs » pourraient être ajoutés. Cette solution est notamment requise lorsque les sphères ou microsphères seront insérées dans le dispositif directement lors de son montage sur une installation finale. Les « espaceurs » seront alors largement évidés pour permettre le remplissage des sphères et le tirage du vide. Dans le cas où l’installation finale sera composée de l’assemblage de tronçons simples finis et totalement réalisés en usine, deux «espaceurs» fixes et étanches seront disposés aux extrémités de chaque tronçon pour assurer l’étanchéité de l’interstice dans lequel seront contenus les sphères et le fluide ou le vide. Dans le cas où les sphères (3) sont baignées dans un fluide d’inertage, il est préférable que le fluide d’inertage ait une température de liquéfaction inférieure à celui du ou des fluides cryogéniques transportés. De même si le gaz d’inertage est à une pression supérieure à celle du ou des fluides cryogéniques transporté, en cas de fuite la migration s’effectuera du gaz d’inertage vers le fluide cryogénique. Ce cas et particulièrement sécuritaire si le fluide cryogénique est de l’hydrogène. Dans le cas où le tuyau externe est mis sous vide, l’opération de remplissage des interstices par les sphères pourra être réalisée sous vide ou le vide sera pompé ou complété ultérieurement en usine ou sur le site de montage de l’installation générale. Comme dans toutes les installations nécessitant une mise sous un vide poussé, la propreté de l’ensemble des éléments internes sera essentielle, notamment les sphères qui devront être certainement lavées et étuvées avant montage. Des composants dessiccateurs pourront être introduit dans le tube externe pour éliminer l’humidité résiduelle et les produits de dégazage. Les techniques traditionnelles de chauffage autour de 100°C pour faciliter le dégazage des matériaux internes au tuyau externe pourront être utilisées et les températures de chauffage même augmentées dans le cas de sphères en verre, ce qui diminuera les temps de pompage. Le vide d’isolation dans l’inter paroi entre le ou les tuyaux internes et le tuyau externe peut être soit un vide scellé, soit un vide dynamique qui nécessitera un groupe de pompage permanent pour compenser les dégazages et les microfuites pendant l’utilisation de l’installation. Une variante du dispositif consiste à ce que tout ou partie du ou des tubes internes (4) et/ou du tube externe (5), soient ondulés ou annelés pour permettre leurs rétractations sous de faibles contraintes et accroître la flexibilité de la ligne, notamment lorsque les conditions d’utilisation nécessitent une certaine épaisseur du ou des tubes internes et/ou du tube externe. L’ensemble du ou des tubes internes et du tube externe peut être inséré dans une enveloppe isolante (6) qui contribue à une amélioration de l’isolation et de la protection mécanique du système. L’interstice compris entre l’enveloppe isolante et le tube externe peut être rempli d’un fluide d’inertage ou/et de sphères. A contrario cet interstice rempli de sphères peut aussi être pompé sous vide, pour améliorer encore l’isolation de l’ensemble. Une autre solution moins performante, mais plus simple consiste simplement à ajuster l’enveloppe isolante (6) en polyuréthane ou foamglass, au tube externe. Lorsque l’installation finale sera complexe et nécessitera d’assembler plusieurs dispositifs entre eux, le montage de l’installation de transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs sera réalisé à partir d’isométriques préfabriqués en usine. L’assemblage nécessitera le raccordement de plusieurs iso, l’opération sera effectuée in situ soit en bout à bout avec ou sans virole, soit par l’intermédiaire de bagues de liaison. Ces bagues de liaison pourront être raccordées par soudage et/ou par des assemblages vissés avec des joints d’étanchéité. L’isolation des jonctions ou des bagues de liaison sera réalisée également in situ, soit par une technologie traditionnelle avec de la superisolation et mis sous vide, soit avec des sphères creuses conformément à l’invention décrite ci-dessus. Cette dernière solution sera plus productive et moins coûteuse qu’un système classique à superisolation. Le dispositif pourra disposer d’un ensemble de pompe, vannes, filtres, soupapes, évents, sondes et capteurs nécessaires au fonctionnement, à la surveillance et à l’entretien de la canalisation. Particulièrement dans le cas où le dispositif est utilisé pour le transport de fluides cryogéniques, des systèmes de séparation liquide et gaz pour récupérer la partie évaporée des fluides seront implantés régulièrement sur la ligne. Dans le cas où les sphères baignent dans un fluide qui circule, un système de filtres permettra d’éviter que les sphères ne s’échappent avec le fluide. Lorsque l’interstice entre le tube ou les tubes internes et le tube extérieur sera mis sous vide, la pression des sphères ou microsphères exerce sur le tube extérieur une pression qui permet de diminuer ou d’annuler les contraintes provoquées par cette misse sous vide. Le dispositif permettra donc de régler le niveau de contrainte du tube externe de la canalisation. De même, lors du remplissage du fluide cryogénique ou réfrigérant, la mise en froid provoque une rétractation du ou des tubes internes et donc une augmentation du volume de l’interstice entre le tube externe et le ou les tubes internes et par conséquent une diminution de la pression dans les sphères ou microsphères. Pour compenser cette perte de pression, le dispositif peut prévoir un système de type vase d’expansion qui permet de régler et de compenser cette pression en ajoutant des sphères ou microsphères. Ce ou ces vases d’expansion permettent également d’amortir ou de compenser l’éventuel endommagement d’une partie des sphères ou microsphères lors d’un choc ou d’une forte accélération accidentelle ou de vibrations internes ou externes à la canalisation. Le vase d’expansion est également mis sous vide et comprend une réserve de sphères ou microsphères associées à un système mécanique de mise sous contraintes des sphères ou microsphères, capable de les transférer vers l’interstice entre le ou les tubes internes et le tube externe. La représente la coupe longitudinale de l’exemple d’un dispositif mono flux, par exemple dans le cadre d’une canalisation isolée et flexible d’alimentation d’un carburant cryogénique. L’hydrogène liquide à une température de 20K circule à l’intérieur du tube interne (1) en aluminium. Le tube externe (2) en inox est enclavé par une enveloppe extérieure (6) en polyuréthane. Les sphères (3) sont des microsphères creuses en verre. Le tube interne (1) est en partie annelé (4). Le tube externe (2) est lui aussi en partie annelé sur la zone (5). La montre la courbe transversale de l’exemple d’un dispositif à 3 flux avec un écran de thermalisation, dans le cadre d’un circuit d’alimentation en hydrogène liquide associé à un circuit à l’hélium liquide pour le refroidissement d’un moteur supraconducteur. Le premier tube interne (8) partiellement annelé contient le carburant et alimente une pile à combustible en hydrogène. Le tube interne (9) partiellement annelé contient de l’hélium liquide à une température de 4 K, en provenance d’un cryostat et à destination d’un élément de moteur supraconducteur à refroidir. Le troisième tube interne (10) également partiellement annelé est un circuit de retour de l’hélium réchauffé après avoir refroidi l’élément supraconducteur, par exemple à une température de 80 K. Sur le tube interne de retour (10) est assemblé un écran thermique souple (11) qui inclus les tubes internes plus froids (8) et (9) et dont l’objectif est de créer un bouclier thermique et arrêter le rayonnement de l’enveloppe extérieure (12). L’écran peut être constitué de feuilles souples ou des viroles rigides en cuivre, en argent, en aluminium, dans un polymère ou un textile avec un revêtement réflecteur. Lorsque l’écran est constitué d’une matière rigide, il peut être à son tour annelé ou ondulé ou échancré pour ajouter de la souplesse et de la flexibilité au dispositif. La présente une alternative à la , pour laquelle le tube d’alimentation en hélium liquide (9) et le tube d’alimentation en hydrogène liquide (8) avec un écran thermique (13) incluant le tube (8), sont contenus dans le tube de retour d’hélium (10), dans lequel circule autour de sphères creuses en verre l’hélium réchauffé du retour du circuit de refroidissement. Le tube (10) est lui-même inséré dans une enveloppe extérieure isolante (12) avec des microsphères creuses et une mise sous un vide poussé. Une autre variante consiste à intégrer 2 tubes internes de diamètres différents transportant par exemple de l’hydrogène pour alimenter un moteur dans une même canalisation. Les 2 tubes internes sont reliés à un même écran thermique. Le tube interne de petit diamètre assure la consommation d’hydrogène au régime ralenti et contribue par refroidissement via l’intermédiaire de l’écran thermique au maintien de la température de l’hydrogène dans le tube interne de gros diamètre qui lui assure l’alimentation en hydrogène du moteur à fort régime et forte sollicitation. Le dispositif de canalisation isolée et flexible, à haute performance thermique, pour le transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs, tel qu’il est présenté ci-dessus, présente de nombreux avantages et propose une alternative particulièrement intéressante aux lignes traditionnelles de transfert sous vide. En supprimant tout ou partie des phases coûteuses et minutieuses de superisolation, il permet une industrialisation productive pour la généralisation des technologies cryogéniques et particulièrement intéressantes dans le cas de production de moyennes à grandes séries. Par ses capacités de déformation, par sa souplesse, par sa robustesse, par ses prédispositions sécuritaires, par son adaptabilité au montage, ce dispositif représente un intérêt majeur au transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs pour des installations embarquées sur des engins terrestres, maritimes, subaquatiques, aériens ou spatiaux. Dispositif de canalisation isolée et flexible pour le transport des fluides cryogéniques, réfrigérants et/ou caloporteurs, constitué d’un ou de tubes internes (1) dans lequel circule un ou des fluides et contenus dans un tube externe (2), et caractérisé par le fait que l’espace entre le ou les tubes internes (1) et le tube externe (2) est remplie par des sphères ou des microsphères (3) pleines ou creuses. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que tout ou partie du ou des tubes internes (4) et/ou du tube externe (5), sont ondulés ou annelés. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les sphères ou microsphères situées dans l’espace entre le ou les tubes internes (1) et le tube externe (2) baignent dans un fluide. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l’espace entre le ou les tubes internes (1) et le tube externe (2) dans lequel se trouve les sphères ou microsphères, est mis sous vide. Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le système prévoit au moins un vase d’expansion qui permet de régler et/ou de réguler la contrainte interne sur les sphères ou microsphères (3) et/ou d’amortir les chocs et les vibrations internes ou externes au dispositif. Dispositif selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu’il existe des supports fixes maintenant le ou les tubes internes (1) dans le tube externe (2). Dispositif selon les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu’il existe des supports glissants maintenant le ou les tubes internes (1) dans le tube externe (2). Dispositif selon les revendications 1 et 7, caractérisé par le fait qu’un ou plusieurs tubes internes possèdent un écran thermique. Dispositif selon les revendications 1 et 8, caractérisé par le fait qu’un ou plusieurs tubes internes sont insérés dans un autre tube interne de diamètre supérieur dans lequel circule autour de sphères ou microsphères un fluide. Dispositif selon les revendications 1 et 9, caractérisé par le fait que l’ensemble du ou des tubes internes et du tube externe peut être inséré dans une enveloppe isolante (6) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l’interstice compris entre l’enveloppe isolante et le tube externe est rempli de sphères ou de microsphères et/ou mis sous vide ou a contrario rempli d’un fluide d’inertage. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le dispositif pourra disposer d’un ensemble de pompe, vannes, filtres, soupapes, évents, sondes et capteurs nécessaires au fonctionnement, à la surveillance et à l’entretien de la canalisation.