CA1217708A - Dispositif de distribution de liquide cryogenique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de distribution de liquide cryogénique qui comprend un réservoir à double enveloppe avec une conduite d'admission à clapet solidaire d'un flotteur, un conduit de soutirage à clapet solidaire d'une tige de commande. La soupape de soutirage est placée dans l'espace d'isolation thermique. Application à la distribution de débits faibles et généralement intermittents de liquides cryogéniques, notamment d'azote ou d'argon pour l'inertage de jets de coulée en métallurgie.
Description
~2~ ~ 7~8 La présente invention concerne un dispositif de production de liquide cryogénique et plus particulièrement un dispositif destiné à distribuer un tel liquide à un débit faible et précis à partir d'un réservoir de liquide cryo-génique sous pression et jusqu'à un récepteur d'utilisation qui est à la pression atmosphérique.
On a déjà proposé un dispositif de distribution de liquide cryogénique comportant un réservoir à niveau constant à isolation poussée au moyen d'une double paroi formant un espace interstitiel d'isolation empli de parti-cules isolantes entre un corps de réservoir interne et une enveloppe externe, dans lequel débouchent un conduit d'admission et un conduit de soutirage inférieur, avec un moyen de réglage à niveau constant agissant sur une soupape d'admission du conduit d'admission et un moyen de réglage de débit d'utilisation agissant sur une soupape de conduit de soutirage, elle-même isolée thermique-ment de l'extérieur. Dans ce genre de dispositif, la soupape d'admission joue le rôle de soupape de détente alors qu'un conduit de d~gazage des vapeurs produites lors de la détente du liquide cryogénique dirige ces vapeurs vers l'atmosphère environnante et maintient ainsi la production jusqu'à l'inté-rieur du réservoir à une valeur constante.
Dans les applications où l'on a besoin de débits relativement faibles mais variables selon le genre d'appli-cation désirée, il est essentiel que le dispositif soit stable, en particulier dans le temps et qu'à une position donnée de la soupape de soutirage corresponde un débit de liquide bien déterminé indépendamment des conditions exté-rieures qui prévalent au moment de l'utilisation tels que , ~ , ..
~177~l~
les conditions atmosphériques, d'humidité ambiante ou lerayonnement thermique, également indépendamment des conditions antérieures à ces utilisations telle que la mise en froid précédemment réalisée, couche de glace ou de givre sur les moyens de distribution, etc... Comme, en outre, dans de nombreuses applications, on a besoin de débits non seulement faibles, mais également de fonctionnement intermittent, les causes de perturbation qui ont été rappelées ci-dessus sont délicates à prendre en compte de manière simple et l'objet de la présente invention est un dispositif de distribution de liquide cryogénique du type rappelé ci-dessus qui soit simple, robuste et fiable et dont les caractéristiques fonc-tionnelles sont constantes, de façon à permettre la distri-bution d'un débit de liquide cryogénique de faible valeur, constant, bien que très souvent intermittent.
Selon l'invention, l'isolation thermique de la soupape de soutirage est assurée par l'isolation propre du réservoir en placant cette soupape dans l'espace d'isolation entre les deux parois du réservoir, les moyens de commande de ladite soupape de soutirage, du type à tige de commande, s'étendent dans ledit espace interstitiel d'isolation et s'engagent dans une traversée étanche de l'enveloppe externe. Grâce a cette disposition essentielle selon laquelle la vanne d'isolation thermique est maintenue dans l'espace d'isolation et à l'état froid, le flux thermique qui atteint le liquide cryogénique au travers de la vanne est au maximum de 5 watts (dans le cas par exemple d'un isolant "perlite" dont la conductibilité thermique ; est de 300 ~W/cm.K). Un tel flux thermique ne permet, par exemple, l'évaporation que de 115 cm3 d'azote par heure, soit un débit de 20 l/h dans la vanne, soit du même ordre de ` 12177~
grandeur qu'un débit très faible de liquide. Au contraire, dans le cas ou la soupape de soutirage est mise à l'extérieur, le flux thermique agissant sur le liquide cryogénique présent au niveau de la vanne atteint facilement 50 à 100 watts selon les conditions opératoires du moment (coefficient d'échange dans l'air : 1.500 à 2.000 W~m2 sans condensation d'air). Un tel flux augmente de fa~on considérable les pertes thermiques du dispositif de distribution, mais surtout, il provoque une évaporation intense du liquide dans la vanne qui vient gêner considérablement la distribution réglée d'un débit désiré qui peut atteindre, par exemple, 0,3 l/mn.
L'expérience a montré qu'avec la disposition selon l'invention, on obtient des caractéristiques de réglage de débit qui sont parfaitement fiables et qui se conservent de façon tout à fait indépendamment des conditions d'utili-sation du dispositif.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en coupe verticale et axiale d'un dispositif de dissolution selon l'invention;
- les figures 2 à 5 sont des vues également en coupe verticale et axiale de quatre détails de la figure 1, à
échelle agrandie, - la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation.
En se référant aux figures 1 a 5, un dispositif de distribution de liquide cryogénique selon l'invention comporte un réservoir 1 formé d'un corps de réservoir 2 et d'un couvercle 3 quelque peu excentré. Le corps de lZ~77~3 réservoir 1 et le couvercle 3 sont tous deux à isolation poussée et à cet effet, le corps de réservoir 2 est constitué
à double parois latérales 4 - 5 reliées entre elles par une plaque annulaire supérieure 6 et par un double fond 7 et 8.
Le couvercle 3 est également constitué à double paroi d'iso-lation thermique et incorpore un tube de dégazage 12. A cet effet, ce couvercle 3 comporte une plaque supérieure 13 avec une large perforation 14 et une perforation excentrée 15, la perforation axiale 14 servant de passage pour le tube de dégazage 12, tandis que la perforation excentrée 15 sert de passage pour le tube d'admission de liquide cryogénique 11. A la plaque supérieure 13 est soudée une jupe annulaire d'une paroi latérale extérieure 17 se poursuivant en un fond 18. A l'endroit de la perforation excentrée 15 est soudée l'extrémité d'un tube 23 formant la partie externe du conduit d'amenée 11 et qui enveloppe un tube central 24 pour le liquide cryogénique, dont une extrémité extérieure ; est équipée d'un raccord 25 et qui se prolonge au travers de l'épaisseur du couvercle 3 pour déboucher au travers de la paroi de fond 18 à l'endroit d'un siège 30 de soupape 31, dont un clapet 32 est porté par une tige de commande verticale 33, cette tige de commande 33 étant montée sur un bras-support 34 solidaire d'un flotteur 35. Le flotteur 35 est lui-même monté à coulissement vertical libre sur un axe vertical 36 fixé à une extrémité supérieure à une plaque-support 37, elle-même solidarisée avec la paroi de fond 18 du couvercle ~. 3. Entre le flotteur 35 et une bague d'appui 38 solidarisée à
l'extrémité basse de l'axe 36 est monté un ressort de compression 39 compensant au moins partiellement le poids ~u flotteur 35.
K
~'' ;`
ç
~ - 4 -i~, 12~77~
La plaque de ~ond 8 du réservoir intérieur 9 est pour we d'une perforation 40 sur laquelle est soudé
un tube de soutirage 41 de forme coudée et qui s'étend horizontalement avec un joint de dilatation 42 jusqu'à
parvenir dans une zone située à l'aplomb d'une partie de forte distance radiale de l'interparoi 4 - 5 du corps de réservoir 2. A cet endroit, le tube de soutirage 41 débouche dans un manchon vertical 43 s'étendant sur toute la hauteur des parois latérales 4 - 5 du corps de réservoir
On a déjà proposé un dispositif de distribution de liquide cryogénique comportant un réservoir à niveau constant à isolation poussée au moyen d'une double paroi formant un espace interstitiel d'isolation empli de parti-cules isolantes entre un corps de réservoir interne et une enveloppe externe, dans lequel débouchent un conduit d'admission et un conduit de soutirage inférieur, avec un moyen de réglage à niveau constant agissant sur une soupape d'admission du conduit d'admission et un moyen de réglage de débit d'utilisation agissant sur une soupape de conduit de soutirage, elle-même isolée thermique-ment de l'extérieur. Dans ce genre de dispositif, la soupape d'admission joue le rôle de soupape de détente alors qu'un conduit de d~gazage des vapeurs produites lors de la détente du liquide cryogénique dirige ces vapeurs vers l'atmosphère environnante et maintient ainsi la production jusqu'à l'inté-rieur du réservoir à une valeur constante.
Dans les applications où l'on a besoin de débits relativement faibles mais variables selon le genre d'appli-cation désirée, il est essentiel que le dispositif soit stable, en particulier dans le temps et qu'à une position donnée de la soupape de soutirage corresponde un débit de liquide bien déterminé indépendamment des conditions exté-rieures qui prévalent au moment de l'utilisation tels que , ~ , ..
~177~l~
les conditions atmosphériques, d'humidité ambiante ou lerayonnement thermique, également indépendamment des conditions antérieures à ces utilisations telle que la mise en froid précédemment réalisée, couche de glace ou de givre sur les moyens de distribution, etc... Comme, en outre, dans de nombreuses applications, on a besoin de débits non seulement faibles, mais également de fonctionnement intermittent, les causes de perturbation qui ont été rappelées ci-dessus sont délicates à prendre en compte de manière simple et l'objet de la présente invention est un dispositif de distribution de liquide cryogénique du type rappelé ci-dessus qui soit simple, robuste et fiable et dont les caractéristiques fonc-tionnelles sont constantes, de façon à permettre la distri-bution d'un débit de liquide cryogénique de faible valeur, constant, bien que très souvent intermittent.
Selon l'invention, l'isolation thermique de la soupape de soutirage est assurée par l'isolation propre du réservoir en placant cette soupape dans l'espace d'isolation entre les deux parois du réservoir, les moyens de commande de ladite soupape de soutirage, du type à tige de commande, s'étendent dans ledit espace interstitiel d'isolation et s'engagent dans une traversée étanche de l'enveloppe externe. Grâce a cette disposition essentielle selon laquelle la vanne d'isolation thermique est maintenue dans l'espace d'isolation et à l'état froid, le flux thermique qui atteint le liquide cryogénique au travers de la vanne est au maximum de 5 watts (dans le cas par exemple d'un isolant "perlite" dont la conductibilité thermique ; est de 300 ~W/cm.K). Un tel flux thermique ne permet, par exemple, l'évaporation que de 115 cm3 d'azote par heure, soit un débit de 20 l/h dans la vanne, soit du même ordre de ` 12177~
grandeur qu'un débit très faible de liquide. Au contraire, dans le cas ou la soupape de soutirage est mise à l'extérieur, le flux thermique agissant sur le liquide cryogénique présent au niveau de la vanne atteint facilement 50 à 100 watts selon les conditions opératoires du moment (coefficient d'échange dans l'air : 1.500 à 2.000 W~m2 sans condensation d'air). Un tel flux augmente de fa~on considérable les pertes thermiques du dispositif de distribution, mais surtout, il provoque une évaporation intense du liquide dans la vanne qui vient gêner considérablement la distribution réglée d'un débit désiré qui peut atteindre, par exemple, 0,3 l/mn.
L'expérience a montré qu'avec la disposition selon l'invention, on obtient des caractéristiques de réglage de débit qui sont parfaitement fiables et qui se conservent de façon tout à fait indépendamment des conditions d'utili-sation du dispositif.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en coupe verticale et axiale d'un dispositif de dissolution selon l'invention;
- les figures 2 à 5 sont des vues également en coupe verticale et axiale de quatre détails de la figure 1, à
échelle agrandie, - la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation.
En se référant aux figures 1 a 5, un dispositif de distribution de liquide cryogénique selon l'invention comporte un réservoir 1 formé d'un corps de réservoir 2 et d'un couvercle 3 quelque peu excentré. Le corps de lZ~77~3 réservoir 1 et le couvercle 3 sont tous deux à isolation poussée et à cet effet, le corps de réservoir 2 est constitué
à double parois latérales 4 - 5 reliées entre elles par une plaque annulaire supérieure 6 et par un double fond 7 et 8.
Le couvercle 3 est également constitué à double paroi d'iso-lation thermique et incorpore un tube de dégazage 12. A cet effet, ce couvercle 3 comporte une plaque supérieure 13 avec une large perforation 14 et une perforation excentrée 15, la perforation axiale 14 servant de passage pour le tube de dégazage 12, tandis que la perforation excentrée 15 sert de passage pour le tube d'admission de liquide cryogénique 11. A la plaque supérieure 13 est soudée une jupe annulaire d'une paroi latérale extérieure 17 se poursuivant en un fond 18. A l'endroit de la perforation excentrée 15 est soudée l'extrémité d'un tube 23 formant la partie externe du conduit d'amenée 11 et qui enveloppe un tube central 24 pour le liquide cryogénique, dont une extrémité extérieure ; est équipée d'un raccord 25 et qui se prolonge au travers de l'épaisseur du couvercle 3 pour déboucher au travers de la paroi de fond 18 à l'endroit d'un siège 30 de soupape 31, dont un clapet 32 est porté par une tige de commande verticale 33, cette tige de commande 33 étant montée sur un bras-support 34 solidaire d'un flotteur 35. Le flotteur 35 est lui-même monté à coulissement vertical libre sur un axe vertical 36 fixé à une extrémité supérieure à une plaque-support 37, elle-même solidarisée avec la paroi de fond 18 du couvercle ~. 3. Entre le flotteur 35 et une bague d'appui 38 solidarisée à
l'extrémité basse de l'axe 36 est monté un ressort de compression 39 compensant au moins partiellement le poids ~u flotteur 35.
K
~'' ;`
ç
~ - 4 -i~, 12~77~
La plaque de ~ond 8 du réservoir intérieur 9 est pour we d'une perforation 40 sur laquelle est soudé
un tube de soutirage 41 de forme coudée et qui s'étend horizontalement avec un joint de dilatation 42 jusqu'à
parvenir dans une zone située à l'aplomb d'une partie de forte distance radiale de l'interparoi 4 - 5 du corps de réservoir 2. A cet endroit, le tube de soutirage 41 débouche dans un manchon vertical 43 s'étendant sur toute la hauteur des parois latérales 4 - 5 du corps de réservoir
2 et est fixé à son extrémité supérieure à un orifice excentré 44 de la plaque supérieure 6. A son extrémité
inférieure, le manchon 43 incorpore un siège 44 d'une soupape 45 qui communique avec un embout de soutirage 46 à un joint de dilatation 47 s'étendant au travers de l'interparoi de fond 7 - 8 jusqu'à un raccord extérieur 48. Le siège 44 de la soupape 45 coopère avec un clapet de soupape 50 monté
par l'intermédiaire d'un ressort 51 en bout d'une tige 52 montée à coulissement axial dans le manchon 43 au travers de la paroi 6. La tige 52 est soumise vers l'extérieur à
l'action d'un ressort de compression 55 monté entre un épaule-ment inférieur 56 de la jonction 54 et une colerette supérieure 57. Cette tige de soupape 52 coopère par une molette 58 avec une came 59 commandée à rotation par un moteur électrique non ~ représenté. Dans la position indiquée à la figure 1, la came : 59 est en position maximale d'action et la tige 52 en position la plus basse possible, qui met en contact de fermeture le ~: clapet 50 avec le siège 44, les petites variations dues à la dilatation étant compensées par le ressort 51.
Ainsi qu'on le voit, la rotation du moteur qui ~: 30 commande la came tourne dans le sens de la flèche F et ; assure alors une montée progressive de la tige de soupape 52, ; - 5 -77~B
donc une ouverture correspondante de la soupape 45.
En se référant plus particulièrement à la figure 5 on voit que le tube de dégazage 12 est équipé ici, à son extrémité extérieure recourbée 12a d'une soupape 60 constituée essentiellement d'un volet 61 monté à rotation autour d'un axe 62 et soumis à l'action d un contre-poids 63 réglable en position sur une tige coudée 64, le tout de facon qu'en l'absence d'une pression supérieure à la pression atmosphérique dans le conduit de dégagement 12, le volet 61 soit en position de fermeture.
Au contraire, si une pression se développe à
l'intérieur du conduit de dégazage 12, le volet 61 tend à
s'ouvrir, sous l'effet de cette pression, par rotation autour de l'axe 6~, et l'instant de cette ouverture peut etre réglé
en rapprochant ou en déplaçant le contre-poids 63 le long de la tige 64.
La variante de réalisation de la figure 6 se distingue de la précédente en ce que, pour des raisons d'encombrement, les moyens d'actionnement de la soupape de soutirage 45 sont inclinés sur la verticale et s'étendent non plus au travers de la plaque 6 mais au travers de la paroi latérale 4. A cet effet, on a dû souder autour d'une ouver-ture elliptique 70 un manchon 71 avec un fond supérieur 72 servant de support au moyen de commande de soupape 73 à
.tige 74 commandée par came 75 et moteur électrique 76.
;L'invention s'applique à la délivrance de débits ~:relativement faibles de gaz liquéfiés, par exemple d'azote . ou d'argon pour l'inertage de métaux en fusion, notamment de jets de coulée.
'' ` - 6 -:
inférieure, le manchon 43 incorpore un siège 44 d'une soupape 45 qui communique avec un embout de soutirage 46 à un joint de dilatation 47 s'étendant au travers de l'interparoi de fond 7 - 8 jusqu'à un raccord extérieur 48. Le siège 44 de la soupape 45 coopère avec un clapet de soupape 50 monté
par l'intermédiaire d'un ressort 51 en bout d'une tige 52 montée à coulissement axial dans le manchon 43 au travers de la paroi 6. La tige 52 est soumise vers l'extérieur à
l'action d'un ressort de compression 55 monté entre un épaule-ment inférieur 56 de la jonction 54 et une colerette supérieure 57. Cette tige de soupape 52 coopère par une molette 58 avec une came 59 commandée à rotation par un moteur électrique non ~ représenté. Dans la position indiquée à la figure 1, la came : 59 est en position maximale d'action et la tige 52 en position la plus basse possible, qui met en contact de fermeture le ~: clapet 50 avec le siège 44, les petites variations dues à la dilatation étant compensées par le ressort 51.
Ainsi qu'on le voit, la rotation du moteur qui ~: 30 commande la came tourne dans le sens de la flèche F et ; assure alors une montée progressive de la tige de soupape 52, ; - 5 -77~B
donc une ouverture correspondante de la soupape 45.
En se référant plus particulièrement à la figure 5 on voit que le tube de dégazage 12 est équipé ici, à son extrémité extérieure recourbée 12a d'une soupape 60 constituée essentiellement d'un volet 61 monté à rotation autour d'un axe 62 et soumis à l'action d un contre-poids 63 réglable en position sur une tige coudée 64, le tout de facon qu'en l'absence d'une pression supérieure à la pression atmosphérique dans le conduit de dégagement 12, le volet 61 soit en position de fermeture.
Au contraire, si une pression se développe à
l'intérieur du conduit de dégazage 12, le volet 61 tend à
s'ouvrir, sous l'effet de cette pression, par rotation autour de l'axe 6~, et l'instant de cette ouverture peut etre réglé
en rapprochant ou en déplaçant le contre-poids 63 le long de la tige 64.
La variante de réalisation de la figure 6 se distingue de la précédente en ce que, pour des raisons d'encombrement, les moyens d'actionnement de la soupape de soutirage 45 sont inclinés sur la verticale et s'étendent non plus au travers de la plaque 6 mais au travers de la paroi latérale 4. A cet effet, on a dû souder autour d'une ouver-ture elliptique 70 un manchon 71 avec un fond supérieur 72 servant de support au moyen de commande de soupape 73 à
.tige 74 commandée par came 75 et moteur électrique 76.
;L'invention s'applique à la délivrance de débits ~:relativement faibles de gaz liquéfiés, par exemple d'azote . ou d'argon pour l'inertage de métaux en fusion, notamment de jets de coulée.
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Claims (7)
1. Dispositif de distribution de liquide cryogénique comportant un réservoir incluant deux parois espacées l'une de l'autre constituant une double paroi qui contribue à une isolation poussée dudit réservoir, les deux parois formant un espace interstitiel d'isolation empli de particules isolantes et constituant un corps de réservoir interne et une enveloppe externe, dans lequel débouchent un conduit d'admission et un conduit de soutirage inférieur, ledit conduit de soutirage comportant une vanne de soutirage disposée dans ledit espace interstitiel, et des moyens de réglage de débit d'utilisation dudit liquide incluant une tige de commande à extension longitudinale dans l'espace d'isolation interstitiel, laquelle tige de commande actionne ladite vanne de soutirage, ladite enveloppe externe constituant une traversée étanche à travers laquelle la tige de commande s'engage, l'extension de ladite tige de commande s'effectuant près du réservoir le long du côté de ce dernier et entre ledit réservoir et la portion de l'enveloppe la plus rapprochée dudit réservoir le long dudit côté dudit réservoir.
2. Dispositif de distribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir comporte un couvercle à double paroi d'isolation, et un conduit de dégazage traversant ledit couvercle, à extrémité recourbée vers le bas et pourvue d'une-soupape de dégazage à volet d'ouverture réglable par contre-poids.
3. Dispositif de distribution selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce que le couvercle à double paroi d'isolation est équipé d'un moyen constituant un passage, ledit conduit d'admission du liquide cryogénique comportant un tube central pour le transport dudit liquide et une enveloppe externe espacée dudit tube central et définissant une double paroi, ledit tube central se prolongeant au travers de l'épaisseur dudit couvercle par le truchement dudit passage, ladite enveloppe externe étant soudée à
la paroi extérieure des deux parois constituant l'isolation à double paroi dudit couvercle.
la paroi extérieure des deux parois constituant l'isolation à double paroi dudit couvercle.
4. Dispositif de distribution selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage à niveau constant comportant un flotteur, une tige longitu-dinale solidarisée à la paroi intérieure des deux parois du couvercle, ledit flotteur étant monté à coulissement sur ladite tige, un bras de commande porté par ledit flotteur, un clapet combiné avec ledit bras et coopérant avec un siège de soupape, ledit clapet et ledit siège de soupape faisant partie d'une vanne d'admission prévue à l'extrémité du tube central du conduit d'admission du liquide cryogénique.
5. Dispositif de distribution selon la revendi-cation 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage à niveau constant comportant un flotteur, une tige longitu-dinale solidarisée à la paroi intérieure des deux parois du couvercle, ledit flotteur étant monté à coulissement sur ladite tige, un bras de commande porté par ledit flotteur, un clapet combiné avec ledit bras et coopérant avec un siège de soupape, ledit clapet et ledit siège de soupape faisant partie d'une vanne d'admission prévue à l'extrémité
du conduit d'admission du liquide cryogénique.
du conduit d'admission du liquide cryogénique.
6. Dispositif de distribution selon la revendi-cation 1, caractérisé en ce que la vanne de soutirage est en position basse et en ce que la traversée étanche se situe à la partie supérieure de ladite enveloppe.
7. Dispositif de distribution selon la revendi-cation 1, caractérisé en ce que la vanne de soutirage est en position basse et en ce que la traversée étanche est constituée par un passage latéral à travers ladite enveloppe externe.
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