Brevet FR3159655A1 — publié le 20250829

L’invention concerne un appareil (1) de compression de fluide cryogénique comprenant une enceinte (13) étanche destinée à contenir un bain (6) de fluide cryogénique liquide, une chambre (3) de compression, un piston (5) mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre (3) de compression, et un ensemble de clapet(s) (2) configuré pour contrôler l’entrée et/ou la sortie de fluide relativement à la chambre (3) de compression, l’ensemble de clapet(s) (2) comprenant au moins un clapet de type discoïdal ou annulaire et mobile relativement à un siège (4), le clapet (2) étant du type composite comprenant, selon son épaisseur, une première portion (12) et une seconde portion (22) distinctes superposées, une face supérieure de la première portion (12) étant en communication un volume interne de l’appareil (1), une face inférieure de la seconde portion (22) étant destiné à coopérer en contact étanche avec le siège (4) du clapet, la seconde portion (22) étant constituée d’un matériau plus souple que le matériau constitutif de la première portion (12). Figure d’abrégé : Fig. 1 Appareil de compression de fluide cryogénique et système de remplissage L’invention concerne un appareil de compression de fluide cryogénique et un système de remplissage. L’invention concerne plus particulièrement un appareil de compression de fluide cryogénique à au moins un étage de compression comprenant une enceinte étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique en phase liquide, une chambre de compression, un piston mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre de compression, et un ensemble de clapet(s) communiquant avec la chambre de compression et configuré pour contrôler l’entrée et/ou la sortie de fluide relativement à la chambre de compression. Afin d’augmenter les performances et le rendement volumétrique des pompes cryogéniques, par exemple pour l’hydrogène liquide, il est indispensable que la chambre ou les chambres de pressurisation (dans le cas de pompe à plusieurs étages de pressurisation) restent très étanches pendant la phase de pressurisation, surtout quand des pressions élevées de décharge sont atteintes. Chaque étage de compression dispose d’un clapet d’admission qui permet, lors de la phase d’admission, de remplir la chambre et lors de la pressurisation de se refermer et d’assurer le non-retour du fluide. Des joints d’étanchéité sont également prévus afin de garantir l’étanchéité entre le piston et la chemise durant leur mouvement relatif et en particulier lors de la pressurisation. Des clapets peuvent être utilisés également pour le refoulement et/ou éviter la surpression dans la chambre de compression. Différentes formes géométriques de clapets sont utilisées, par exemple des clapets coniques avec un siège conique, des clapets sphériques avec un siège conique ou des clapets à disque plein ou annulaires avec des portées de siège circulaire. L’étanchéité des clapets est indispensable pour le fonctionnement des pompes, en particulier, si la pompe est cryogénique. Une mauvaise étanchéité dégrade considérablement le rendement volumétrique. En effet, une partie du débit est perdue par effet Joules-Thomson. Dans le cas de l’hydrogène, un réchauffage peut être engendré, provoquant plus de difficultés à l’admission. En effet, le fluide pressurisé est susceptible de se détendre à travers le clapet dans le mauvais sens pendant la phase de pressurisation. Ceci apporte de la chaleur à la partie amont de la chambre de compression. Ceci peut provoquer une perte supplémentaire et considérable de liquide par vaporisation (appelé en anglais « boil-off gas » ou « BOG »), ceci notamment lorsque le fluide dans la partie amont est proche de saturation. De plus, une mauvaise étanchéité au niveau du clapet d’admission crée également une perte en rendement. Les clapets connus ont une étanchéité imparfaite à température cryogénique du fait d’aspérités, rugosités ou d’imperfections de fabrication. En utilisant des matériaux 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’appareil selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l’ensemble de clapet(s) comprend au moins un clapet de type discoïdal ou annulaire et mobile relativement à un siège, le clapet étant du type composite comprenant, selon son épaisseur, une première portion et une seconde portion distinctes superposées, une face supérieure de la première portion étant en communication un volume interne de l’appareil, une face inférieure de la seconde portion étant destiné à coopérer en contact étanche avec le siège du clapet, la seconde portion étant constituée d’un matériau plus souple que le matériau constitutif de la première portion. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l’appareil comporte un système d'admission configuré pour permettre l'entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre de compression lors d'une phase d'admission et empêcher la sortie de fluide en phase de compression, le système d'admission comprenant au moins un tel clapet de type discoïdal ou annulaire de type composite, la face supérieure de la première portion étant en communication la chambre de compression, l’appareil comporte un système de refoulement de fluide configuré pour permettre l'évacuation de fluide hors de la chambre de compression en phase de compression, le système de refoulement comprenant au moins un tel clapet de type discoïdal ou annulaire de type composite, l’appareil comporte un système de dépressurisation configuré pour permettre l'évacuation de fluide hors de la chambre de compression en cas de surpression, le système de dépressurisation comprenant au moins un tel clapet de type discoïdal ou annulaire de type composite, le siège comporte un épaulement formé à une extrémité d’un canal de passage pour le fluide, ledit épaulement étant destiné à recevoir la seconde portion en contact étanche lors de la position fermée du clapet, la première portion est constituée d’un matériau ayant une dureté supérieure à 150 HB (Brinell Hardness), la seconde portion étant constituée d’un matériau ayant une dureté inférieure à 150 HB (Brinell Hardness), la première portion est constituée de l’un au moins des matériaux suivants : inox, inconel, alliage d’aluminium, alliages de cuivre, la seconde portion étant constituée de l’un au moins des matériaux suivants : polymère, indium, cuivre ou aluminium purs ou alliages de cuivre ou d’aluminium relativement moins durs, les première et seconde portions sont assemblées par vissage, brasage, revêtement, soudage à chaud, soudage à froid, rivetage, tout type de revêtement de surface, dépôt de matière, la première portion a une épaisseur comprise entre 0,5mm et 2mm, la seconde portion ayant une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm, l’appareil comporte une troisième portion disposée la face inférieure de la seconde portion et constituée d’un matériau moins souple que le matériau constitutif de la seconde portion, c’est-à-dire que la seconde portion est prise en sandwich entre les première et troisième portions, la troisième portion ne recouvrant pas toute la face inférieure de la seconde portion pour permettre le contact de la seconde portion avec le siège. L’invention concerne également un système de remplissage d’un réservoir d’un fluide sous pression, par exemple de l’hydrogène, comprenant un appareil selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous et une circuiterie de fourniture de fluide pressurisé par l’appareil de compression. Selon d’autres particularités possibles : 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 : Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : FIG. 1 est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un système de remplissage comprenant un appareil de compression, FIG. 2 est une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un clapet de type annulaire, FIG. 3 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d’un détail de l’appareil de compression selon un premier mode de réalisation de l’invention, FIG. 4 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d’un détail de l’appareil de compression selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, FIG. 5 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d’un détail de l’appareil de compression selon un troisième mode de réalisation de l’invention, FIG. 6 est une vue en perspective, partiellement en coupe, d’un détail de l’appareil de compression selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Description détaillée Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations. L’appareil 1 de compression de fluide cryogénique représenté schématiquement et partiellement à la FIG. 1 est du type à un étage de compression. Il comprend une enceinte 13 étanche destinée à contenir un bain 6 de fluide cryogénique en phase liquide et une chambre 3 de compression. L’appareil 1 comprend un piston 5 mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre 3 de compression. Par exemple, le piston 5 est mobile selon un mouvement alternatif rectiligne et vertical pour assurer successivement des phases d’admission et de refoulement de fluide dans la chambre 3 de compression. L’appareil 1 de compression est ici intégré à un système de remplissage d’un réservoir 9 d’un fluide sous pression, par exemple de l’hydrogène. Le système de remplissage comprend à cet effet une circuiterie 8 de fourniture de fluide pressurisé par l’appareil 1 de compression. L’appareil 1 comprend un ensemble de clapet(s) 2 communiquant avec la chambre de compression et configuré pour contrôler l’entrée et/ou la sortie de fluide relativement à la chambre 3 de compression. Dans cet exemple, l’appareil 1 comprend au moins un clapet 2 faisant partie d’un système d'admission configuré pour permettre l'entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre 3 de compression lors d'une phase d'admission et empêcher la sortie de fluide en phase de compression. En particulier, l’appareil 1 comprend au moins un clapet 2 de type discoïdal ou annulaire et mobile relativement à un siège (cf. FIG. 2 où un anneau 2 est mobile relativement un à structure 20 fixe). C’est-à-dire que le clapet 2 comporte une partie mobile en forme de disque ou d’anneau mobile relativement à un siège entre un état de fermé empêchant l’entrée ou la sortie de fluide dans la chambre 3 de compression via au moins un passage 7 et un état ouvert permettant l’entrée de fluide via le passage 7. Le clapet 2 peut éventuellement être contraint par un organe de rappel (ressort ou autre) vers sa position fermée. Le clapet 2 est du type composite, c’est-à-dire formé par un assemblage ou empilement de deux parties structurellement différentes. Le clapet 2 comprend, selon son épaisseur, une première portion 12 et une seconde portion 22 distinctes superposées ayant des caractéristiques de souplesse ou dureté différentes. Une face supérieure de la première portion 12 est en communication un volume interne de l’appareil 1 (ici la chambre 3 de compression) tandis qu’une une face inférieure de la seconde portion 22 est destinée à coopérer en contact étanche avec le siège 4 du clapet. La seconde portion 22 qui coopère avec le siège 4 et assure l’étanchéité est constituée d’un matériau plus souple que le matériau constitutif de la première portion 12. Cette structure de clapet 2 à deux matériaux possède un disque ou anneau supérieur 12 rigide (du côté de la chambre 3 de compression dans cet exemple) qui constitue le corps rigide du clapet associé à un disque ou anneau 22 inférieur plus souple (du côté du siège 4) qui assure l’étanchéité à la fermeture. L’association entre les deux portions 12, 22 peut être réalisée de différentes manières (vissage, brasage, revêtement, dépôt, brasage, revêtement, soudage à chaud (ex : « tig », « mig »), soudage à froid (ex : friction, pression, etc...), rivetage, tout type de revêtement de surface ("coating"), dépôt de matière (ex : impression 3D). Plusieurs configurations sont possibles. Dans l’exemple de la FIG. 3 les première 12 et seconde 22 portions sont assemblées via au moins une vis 9 de fixation traversant les deux portions et un système d’écrou et/ou de filetage (ou taraudage dans une portion 12 par exemple) et pouvant être suppléé par un joint 10 d’étanchéité tel qu’une rondelle souple par exemple pour garantir l’étanchéité au niveau du serrage. La première portion 12 peut être est constituée d’un matériau ayant une dureté supérieure à 150 HB (Brinell Hardness). La seconde portion 22 peut être constituée d’un matériau ayant une dureté inférieure à 150 HB. La première portion 12 peut être constituée de l’un au moins des matériaux suivants : inox, inconel, alliage d’aluminium, alliages de cuivre relativement durs. La seconde portion 22 peut être constituée de l’un au moins des matériaux suivants : polymère, indium, cuivre ou aluminium purs ou presque purs. La première 12 portion a par exemple une épaisseur comprise entre 0,5mm et 2mm. La seconde 22 portion a par exemple une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm. Comme illustré, le siège 4 peut comporter un premier épaulement formé à une extrémité d’un canal 7 de passage pour le fluide. L’épaulement, de forme circulaire peut être destiné à recevoir la seconde portion 22 en contact étanche lors de la position fermée du clapet 2 (cf. FIG. 3 ). Dans la variante de la FIG. 4 , le clapet comporte une troisième portion 122 rigide disposée la face inférieure de la seconde portion 22. C’est-à-dire que la troisième portion 122 est constituée d’un matériau moins souple que le matériau constitutif de la seconde portion 12. Ainsi, la seconde portion 22 est prise en sandwich entre les première 12 et troisième 122 portions. Comme illustré, la troisième portion 122 ne recouvre pas toute la face inférieure de la seconde portion 22 pour permettre le contact de la seconde portion 22 avec le siège 4. Les première 12 et troisième 122 portions peuvent être constituées du même matériau ou de matériaux différents. Le mode d’assemblage peut être du même type que celui décrit précédemment (vis 9 notamment). Cette structure permet un meilleur maintien de la seconde portion 22 et d’éviter notamment une trop grande déformation de cette dernière. Dans l’exemple de la FIG. 4 , en position fermée, la troisième 122 portion peut venir se loger dans le canal 7 ou dans un logement ou sur deuxième épaulement, sans interférer avec le siège 4 (premier épaulement) sur lequel vient se placer la deuxième portion 22. Comme illustré à la FIG. 5 , la deuxième portion 22 peut être formée en plusieurs parties distinctes. Comme illustré à la FIG. 6 , les première 12 et troisième 122 portions peuvent être reliées mécaniquement l’une à l’autre (en contact par exemple). Dans l’exemple décrit ci-dessus le clapet est un clapet d’admission. Bien entendu, un ou des clapets de ce type peuvent être envisagés pour un système de refoulement et/ou un système de gestion de la pression (clapet d’évacuation d’une surpression). Ainsi, un ou des clapets de ce type peuvent être utilisés pour l’admission et/ou le refoulement et/ou éviter la surpression dans les pompes cryogéniques et/ou des compresseurs volumétriques à piston. Ce type de clapet à disque plein ou annulaire permet d’obtenir des coefficients de débit très élevés avec une bonne étanchéité à très basse température. Ce type de clapet a en particulier une très bonne capacité à faire passer un débit avec une perte de charge relativement faible. L’invention peut s’appliquer à un appareil de compression à plusieurs étages de compression indépendants ou non (pistons indépendants ou un piston assurant la compression séquentielle dans deux chambres de compression distinctes). Appareil (1) de compression de fluide cryogénique à au moins un étage de compression comprenant une enceinte (13) étanche destinée à contenir un bain (6) de fluide cryogénique en phase liquide, une chambre (3) de compression, un piston (5) mobile pour assurer la compression du fluide dans la chambre (3) de compression, et un ensemble de clapet(s) (2) communiquant avec la chambre (3) de compression et configuré pour contrôler l’entrée et/ou la sortie de fluide relativement à la chambre (3) de compression, caractérisé en ce que l’ensemble de clapet(s) (2) comprend au moins un clapet de type discoïdal ou annulaire et mobile relativement à un siège (4), le clapet (2) étant du type composite comprenant, selon son épaisseur, une première portion (12) et une seconde portion (22) distinctes superposées, une face supérieure de la première portion (12) étant en communication un volume interne de l’appareil (1), une face inférieure de la seconde portion (22) étant destiné à coopérer en contact étanche avec le siège (4) du clapet, la seconde portion (22) étant constituée d’un matériau plus souple que le matériau constitutif de la première portion (12). Appareil selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte un système d'admission configuré pour permettre l'entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre (3) de compression lors d'une phase d'admission et empêcher la sortie de fluide en phase de compression, le système d'admission comprenant au moins un tel clapet (2) de type discoïdal ou annulaire de type composite, la face supérieure de la première portion (12) étant en communication la chambre (3) de compression. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un système de refoulement de fluide configuré pour permettre l'évacuation de fluide hors de la chambre (3) de compression en phase de compression, le système de refoulement comprenant au moins un tel clapet (2) de type discoïdal ou annulaire de type composite. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un système de dépressurisation configuré pour permettre l'évacuation de fluide hors de la chambre (3) de compression en cas de surpression, le système de dépressurisation comprenant au moins un tel clapet (2) de type discoïdal ou annulaire de type composite. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le siège (4) comporte un épaulement formé à une extrémité d’un canal (7) de passage pour le fluide, ledit épaulement étant destiné à recevoir la seconde portion (22) en contact étanche lors de la position fermée du clapet (2). Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion (12) est constituée d’un matériau ayant une dureté supérieure à 150 HB (Brinell Hardness), la seconde portion (22) étant constituée d’un matériau ayant une dureté inférieure à 150 HB (Brinell Hardness). Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion (12) est constituée de l’un au moins des matériaux suivants : inox, inconel, alliage d’aluminium, alliages de cuivre, la seconde portion (22) étant constituée de l’un au moins des matériaux suivants : polymère, indium, cuivre ou aluminium purs ou alliages de cuivre ou d’aluminium relativement moins durs. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première (12) et seconde (22) portions sont assemblées par vissage, brasage, revêtement, soudage à chaud, soudage à froid, rivetage, tout type de revêtement de surface, dépôt de matière. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l a première (12) portion a une épaisseur comprise entre 0,5mm et 2mm, la seconde (22) portion ayant une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm. Appareil selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une troisième portion (122) disposée la face inférieure de la seconde portion (22) et constituée d’un matériau moins souple que le matériau constitutif de la seconde portion (12), c’est-à-dire que la seconde portion (22) est prise en sandwich entre les première (12) et troisième (122) portions, la troisième portion ne recouvrant pas toute la face inférieure de la seconde portion (22) pour permettre le contact de la seconde portion (22) avec le siège (4). Système de remplissage d’un réservoir (9) d’un fluide sous pression, par exemple de l’hydrogène, comprenant un appareil (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et une circuiterie (8) de fourniture de fluide pressurisé par l’appareil (1) de compression.