EP3559422A1 - Compensateur de pression dans une bulle de liquide emprisonnee dans la glace - Google Patents

Compensateur de pression dans une bulle de liquide emprisonnee dans la glace

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EP3559422A1
EP3559422A1 EP17818593.0A EP17818593A EP3559422A1 EP 3559422 A1 EP3559422 A1 EP 3559422A1 EP 17818593 A EP17818593 A EP 17818593A EP 3559422 A1 EP3559422 A1 EP 3559422A1
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EP
European Patent Office
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plunger
tank
liquid
head
ice
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EP17818593.0A
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German (de)
English (en)
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EP3559422B1 (fr
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Julien Hobraiche
Nicolas Le Clec'h
Thierry Leguay
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Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
Original Assignee
Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
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Publication date
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Publication of EP3559422B1 publication Critical patent/EP3559422B1/fr
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1406—Storage means for substances, e.g. tanks or reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/04—Accumulators
    • F15B1/08—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor
    • F15B1/24—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor with rigid separating means, e.g. pistons

Definitions

  • the invention relates to the field of motor vehicles, and more specifically tanks intended to contain a liquid that may freeze under the normal conditions of use of the vehicle.
  • These elaborate tanks generally comprise a technical module, partially immersed, in which are installed the pumping means and the level or temperature measuring devices for managing the distribution of the liquid contained in the reservoir.
  • heating means are provided in the tank to prevent freezing of urea.
  • a closed tank equipped with a technical module and containing a certain volume of urea was placed in a cold chamber maintained at a temperature of about -40 ° C.
  • the technical module is totally immersed in the liquid volume. This volume of liquid is surmounted by a gaseous portion remaining throughout the experiment at atmospheric pressure.
  • some components of the technical module such as the pump or level floats are also at atmospheric pressure.
  • This phenomenon is related to the fact that the compressibility of the liquid forming the bubble is low and that, the formation of the ice continues, the volume increase related to this transition submits the liquid bubble to pressures progressing rapidly.
  • the liquid bubble is gradually absorbed until all the liquid previously contained in the tank is converted into ice.
  • the publication EP2829699 provides to have a deformable cavity under the application of pressure, connected to an exhaust in communication with the outside atmosphere.
  • the volume expansion related to the formation of the ice is then compensated by the reduction of the volume of the deformable cavity.
  • Similar embodiments are also described in the publications DE102009029375, DE102006050808 or DE102015204621 also provide deformable elements to absorb the variation of the volume of ice. These devices require means adapted to maintain the compressible bubble in the immersed volume.
  • these flexible membranes operating at low temperature have reduced mechanical characteristics and reduced service life.
  • DE102008054629 publication provides a fixed conduit penetrating into the liquid bubble and by which the pressurized liquid can rise to the surface. To prevent the liquid from freezing inside the duct, it is then necessary to provide particular insulation or heating means.
  • the reservoir comprising a pressure compensation device aims to propose an original solution to overcome the problems mentioned above and to control this phenomenon of overpressure in the liquid bubble completely enclosed in a volume of forming ice surmounted by a volume of gas and contained in a tank closed by walls, in order to avoid degradation of the components of the technical module immersed in the liquid contained in the tank.
  • This reservoir, closed by walls, therefore comprises a pressure compensator for regulating the pressure in a liquid bubble completely trapped in a volume of ice formation topped with a volume of gas.
  • the pressure compensator comprises a plunger, movable along a vertical axis, formed of a head surmounting a body, and the faces of the body of the plunger have a positive or zero draft in a vertical direction and oriented from top to bottom , a height of the body of the plunger being adjusted so that a lower part of the body remains immersed in the liquid bubble, and for an upper part of the body to pass through the upper layer of ice and remain in the gas volume so that when the plunger rises under the action of the pressure prevailing in the liquid bubble and exerts itself on the body part of the plunger remaining immersed in the liquid, an additional volume is created within the space occupied by the bubble of fluid and helps to reduce the pressure in this space.
  • the rise of the plunger under the effect of the prevailing pressure in the bubble of liquid will allow to release an additional volume within the space occupied by the bubble and help reduce the pressure in this space.
  • a reservoir containing water, or water mixed with an alcohol such as a reservoir containing the window cleaning liquid may usefully include a pressure compensator as described above to avoid the degradation of the organs contained in the technical module mounted in said tank.
  • the tank equipped with a pressure compensator according to the invention may also comprise in isolation, or in combination, the following characteristics:
  • the draft angle of the body of the plunger is between 2 ° and 15 ° so that, when the plunger rises, a space between the ice and the surface of the body of the plunger is formed and allows the liquid contained in the bubble of escape.
  • the body of the plunger has a substantially frustoconical shape.
  • the body of the diver is substantially incompressible.
  • the body of the plunger is polyoxymethylene.
  • the plunger head travels in the vertical direction between a high limit and a low limit in a hollow cylinder attached to an upper wall of the reservoir.
  • the hollow cylinder comprises a vent.
  • a device exerts on the head of the plunger a predetermined constant force directed from top to bottom.
  • the device exerting on the head of the plunger a predetermined constant force directed from top to bottom is formed by a spring disposed in the hollow cylinder and interposed between the head of the plunger and the upper wall of the reservoir.
  • the head and body of the plunger form a hollow body closed at the top by a hydrophobic membrane.
  • the head and body of the plunger form a hollow body filled with closed cell foam.
  • a submerged technical module installed vertically below the pressure compensator.
  • Figure 1 shows a sectional view of a reservoir in which is implanted a pressure compensator according to the invention.
  • FIG. 2 is a detailed view of the compensator of FIG. 1.
  • FIG 3 illustrates the situation in which the compensator lifts up and lets out some of the liquid contained in the liquid bubble.
  • FIG. 4 illustrates an alternative embodiment of the compensator of pressure.
  • Figure 1 schematically shows a tank 1, closed by an upper wall 10, a bottom wall 11 and side walls 12. A filling pipe 13 to fill the tank.
  • a technical module 2 is implanted on the wall 11 forming the bottom of the tank 1. This technical module passes through the bottom of the tank to connect the units contained in the module to a power source, the control and control modules or the liquid outlet ducts to the gas pollution control system. exhaust and placed at atmospheric pressure outside the tank. Other secondary organs such as vents, heating means are not shown.
  • the reservoir contains a liquid being frozen and comprising a solid phase volume G and a volume still in liquid form L, and forming a liquid bubble, bounded by the dotted line, fully trapped in the volume of ice cream G.
  • the level N symbolizes the line of separation between the upper part of the tank filled with gas V and the ice block G. This level N corresponds substantially to the level of the liquid in the tank before the latter begins to freeze.
  • the gaseous part V of the tank is at atmospheric pressure, and the gas contained in this part is formed of a mixture of vapor phase liquid and air.
  • the pressure compensator 3 is disposed vertically above the technical module 2 so as to protect it from adverse effects that could produce a liquid bubble L forming in this area. It will be observed here that the liquid bubble L can extend in other zones of the tank in which the effects of the overpressure remain without consequence.
  • the pressure compensator comprises a plunger 30 formed of a head 300 overcoming a body 301.
  • the body of the plunger, 301 visible in detail in Figure 2, here has the shape of a truncated cone of vertical axis.
  • This frustoconical shape is particularly well adapted so that the surface of the body 301 of the plunger 30 has a positive draft of vertical axis in a direction from top to bottom.
  • This requirement indicates that it is appropriate no surface of the body of the plunger, or in other words no plane tangential to the surface of the body of the plunger, is strictly parallel or forms a negative angle with the vertical.
  • the body of the diver can have shapes as varied as for example the shape of an inverted pyramid truncated at its top.
  • the frustoconical shape makes a constant positive draft angle ⁇ with the vertical direction. This angle could be equal to zero but it will be observed that the radial stresses exerted by the ice on the surface of the body of the plunger and the friction forces exerted between the wall of the body of the plunger and the ice can prevent the ascent of the plunger . Also we prefer to choose a draft angle at least equal to 2 °.
  • the body 301 of the plunger is substantially incompressible.
  • the term “substantially” is understood here to mean that any variation in volume related to the pressure exerted on the body of the plunger is not such as to modify the resultant of the forces allowing the plunger to rise.
  • the body of the plunger may be formed of a metal adapted to be immersed in the solution contained in the reservoir.
  • the plunger 30 can advantageously realize the plunger 30 from a material such as a polyoxymethylene. Thanks to its structure and a high crystallinity, this material offers very good physical characteristics: a low coefficient of friction and a very good resistance to abrasion, a high resistance to traction and shocks, very good resistance to chemical agents , excellent dimensional stability, good creep resistance and finally a wide temperature range of use.
  • Figure 3 shows the movement during which the plunger 30 rises and clears a gap between the ice G and the surface of the plunger, allowing the liquid in the bubble L to escape.
  • the height h of the body 301 of the plunger 30 is adapted so that, when the liquid bag L appears during the freezing process, the lower portion 303 of the body 301 is immersed in the liquid, the intermediate portion 303 of the body being trapped in the volume G of ice surmounting the liquid bubble and the upper part 302 of the body of the plunger remaining in the aerial part V of the tank.
  • This adaptation can be done by calculation by applying the laws of thermodynamics and exchanges of heat between the walls of the reservoir and the liquid, or more simply by an experimental observation of the evolution of the freezing of the liquid contained in the tank. In practice, this amounts to positioning the lower part of the plunger 30 as close as possible to the center of the liquid bubble whose location is made by an experimental process.
  • the body 301 of the plunger 30 is surmounted by a head 300.
  • This head 300 slides in a substantially vertical direction in a hollow cylinder 31 whose upper part is secured to the upper wall 10 of the tank 1.
  • substantially vertical a direction making an angle of +/- 15 ° and preferably +/- 10 ° with the vertical direction.
  • the hollow cylinder is formed of a thermoplastic material compatible with the material forming the walls of the tank on which it is welded.
  • this hollow cylinder may advantageously be made of high density polyethylene (HDPE).
  • a vent 310 is positioned in the upper part of the hollow cylinder 31.
  • the stroke of the head 300 of the plunger is blocked downwards by a collar 311 interacting with a shoulder 305 disposed on the head of the plunger 30.
  • the stroke of the plunger is limited upwards by the wall 11 of the reservoir, or by a mechanical stop high similar to the low stop described above, or by the contiguous turns of the spring.
  • a spring 32 is interposed between the top of the head 300 and the wall 11. This spring exerts a constant force directed from top to bottom on the head 300 of the plunger 30.
  • the calibration of the spring it can in this way control the threshold of the pressure in the liquid bubble L from which the plunger 30 will perform a lift. Above this threshold, the plunger 30 rises and releases the pressure in the liquid bubble L, below this threshold the plunger 30 rests against the shoulder 305 or, in the case where the space in which the liquid would come to freeze himself, on the ice itself.
  • the spring can be replaced by any kind of equivalent means for raising or lowering the plunger in a controlled manner.
  • a weighted diver could also be suitable.
  • the walls of the head 300 and the body 301 of the plunger 30 define an interior volume in which it should be ensured that the liquid contained in the reservoir does not penetrate.
  • Figure 4 illustrates an alternative embodiment of the invention, wherein the head 300 of the plunger 30 comprises a reduction 307 forming an inclined support on which the spring 32 comes to rest. This reduction makes it possible to facilitate the flow of the liquid downwards in the undesired case where the latter would come to be introduced through the vent 310.
  • V Aerial part over the ice V Aerial part over the ice.

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Abstract

Compensateur de pression (3) pour réguler la pression dans une bulle de liquide (L) emprisonnée en totalité dans un volume de glace (G) en formation surmonté d'un volume de gaz (V) et contenu dans un réservoir (1) fermé par des parois (10, 11, 12). Le compensateur comprend un plongeur (30) formé d'une tête (300) surmontant un corps (301). Les faces du corps (301) du plongeur (30) présentent une dépouille (a) positive ou nulle selon une direction sensiblement verticale et orientée du haut vers le bas.

Description

Compensateur de pression dans une bulle de liquide emprisonnée dans la glace
[001 ] L'invention concerne le domaine des véhicules automobiles, et plus spécifiquement les réservoirs destinés à contenir un liquide susceptible de geler dans les conditions normales d'utilisation du véhicule. Ces réservoirs élaborés comprennent généralement un module technique, en partie immergé, dans lequel sont installés les moyens de pompage ainsi que les dispositifs de mesure de niveau ou de température permettant de gérer la distribution du liquide contenu dans le réservoir.
[002] C'est le cas en particulier des réservoirs contenant de l'urée, et faisant l'objet d'un usage courant pour alimenter le système de dépollution des gaz d'échappement du véhicule. Ce liquide commence à geler lorsque la température descend en dessous de - 11 °C.
[003] A cet effet, des moyens de chauffage sont prévus dans le réservoir pour éviter le gel de l'urée.
[004] Toutefois, ces moyens sont désactivés lorsque, le véhicule est mis à l'arrêt après une période de roulage et, quand le véhicule stationne à l'extérieur dans des conditions externes hivernales sévères, pouvant atteindre par exemple des températures de l'ordre de -40°C, la transformation en glace de l'urée contenu dans le réservoir s'amorce et peut conduire à la congélation de la totalité de l'urée en quelques dizaines de minutes.
[005] Dans ces conditions de congélation rapide, il a été observé des dégradations du module technique, longtemps restées inexpliquées, et pouvant conduire à la destruction totale du module technique ou des organes qu'il contient.
[006] Des analyses en laboratoire ont permis de mettre en évidence les phénomènes physiques intervenant pendant cette période.
[007] Un réservoir fermé équipé d'un module technique et contenant un certain volume d'urée a été placé dans une enceinte froide maintenue à une température de l'ordre de -40°C. Le module technique est totalement immergé dans le volume de liquide. Ce volume de liquide est surmonté d'une partie gazeuse restant tout au long de l'expérience à la pression atmosphérique. De même, certains organes du module technique tels que la pompe ou les flotteurs de niveau sont également à la pression atmosphérique.
[008] On observe que la glace commence à se former à proximité des parois du réservoir par lesquelles les échanges thermiques s'opèrent. La croissance du volume de glace s'effectue alors en progressant vers la région centrale du réservoir occupée par le module technique. Au bout d'un temps donné, la surface du liquide gèle à son tour. [009] On observe alors la création d'une bulle de liquide emprisonnée de toute part par de la matière gelée et dans laquelle la partie supérieure du module technique est immergée.
[0010] Une observation plus poussée, permet de mettre en évidence que la pression régnant à l'intérieur de cette bulle de liquide entièrement entourée de glace peut alors atteindre des valeurs très élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de bars.
[0011 ] Ce phénomène est lié au fait que la compressibilité du liquide formant la bulle est faible et que, la formation de la glace se poursuivant, l'augmentation de volume liée à cette transition soumet la bulle de liquide à des pressions progressant rapidement.
[0012] Il en résulte que les organes du module technique restant à la pression atmosphérique subissent des contraintes mécaniques très supérieures à la résistance des matériaux qui les constituent, lesquels se déforment jusqu'à se rompre.
[0013] En poursuivant l'expérience, la bulle de liquide se résorbe petit à petit jusqu'à ce que l'ensemble du liquide préalablement contenu dans le réservoir soit transformé en glace.
[0014] Pour résoudre ce problème connu, la publication EP2829699 prévoit de disposer une cavité déformable sous l'exercice d'une pression, reliée à un échappement en communication avec l'atmosphère extérieur. L'expansion de volume liée à la formation de la glace est alors compensée par la réduction du volume de la cavité déformable. Des formes d'exécution similaires sont également décrites dans les publications DE102009029375, DE102006050808, ou encore DE102015204621 prévoient également des éléments déformables pour absorber la variation du volume de glace. Ces dispositifs nécessitent des moyens adaptés pour maintenir la bulle compressible dans le volume immergé. De plus, ces membranes souples opérant à basse température ont des caractéristiques mécaniques amoindries et des durées de vie réduites.
[0015] La publication DE102008054629 prévoit de disposer un conduit fixe pénétrant dans la bulle de liquide et par lequel le liquide sous pression peut remonter en surface. Pour éviter que le liquide ne gèle à l'intérieur du conduit il est alors nécessaire de prévoir des moyens d'isolation ou de chauffage particuliers.
[0016] Le réservoir comprenant un dispositif de compensation de pression selon l'invention a pour objet de proposer une solution originale permettant de surmonter les problèmes évoqués ci-dessus et de maîtriser ce phénomène de surpression dans la bulle de liquide enfermée en totalité dans un volume de glace en formation surmonté d'un volume de gaz et contenu dans un réservoir fermé par des parois, afin d'éviter la dégradation des composants du module technique immergé dans le liquide contenu dans le réservoir. [0017] Ce réservoir, fermé par des parois, comprend donc un compensateur de pression pour réguler la pression dans une bulle de liquide emprisonnée en totalité dans un volume de glace en formation surmonté d'un volume de gaz.
[0018] Le compensateur de pression comprend un plongeur, mobile selon un axe vertical, formé d'une tête surmontant un corps, et les faces du corps du plongeur présentent une dépouille positive ou nulle selon une direction verticale et orientée du haut vers le bas, une hauteur du corps du plongeur étant ajustée pour qu'une partie inférieure du corps reste immergée dans la bulle de liquide, et pour qu'une partie supérieure du corps traverse la couche supérieure de glace et demeure dans le volume de gaz de sorte que, lorsque le plongeur remonte sous l'action de la pression régnant dans la bulle de liquide et s'exerçant sur la partie du corps du plongeur restant immergée dans le liquide, un volume supplémentaire est créé au sein de l'espace occupé par la bulle de liquide et contribue à réduire la pression dans cet espace.
[0019] Lorsque le compensateur est placé dans le réservoir de sorte que le corps du plongeur soit disposé sensiblement au-dessus du module technique et plonge dans le bulle de liquide entourant ledit module, la remontée du plongeur sous l'effet de la pression régnant dans la bulle de liquide, va permettre de dégager un volume supplémentaire au sein de l'espace occupé par la bulle et contribuer à réduire la pression dans cet espace.
[0020] De plus, en choisissant judicieusement l'angle de dépouille, un espace se crée lors de la remontée du plongeur entre le plongeur et la glace qui emprisonnait ce dernier, autorisant le liquide contenu dans la bulle à s'échapper en direction de la surface gelée formant l'interface entre le bloc de glace et le volume de gaz placé en règle générale à la pression atmosphérique. La pression dans la bulle de liquide chute à nouveau et le corps du plongeur redescend pour revenir au contact de la glace. Ces petits mouvements alternatifs se poursuivent jusqu'à ce que la totalité de la bulle de liquide se transforme en glace.
[0021] La combinaison des deux mécanismes exposés ci-dessus permet de réduire les effets négatifs de la surpression sur les organes du module technique et préserve ces derniers de toute détérioration susceptible de mettre ces appareils hors d'usage.
[0022] Les explications servant de support à la présente description concernent un réservoir contenant de l'urée, mais il va de soi que le réservoir peut contenir toute espèce de liquide passant en phase solide dans des conditions de température susceptibles d'être observées pendant l'utilisation courante dudit réservoir. Un réservoir contenant de l'eau, ou de l'eau mélangée avec un alcool tel qu'un réservoir contenant le liquide de nettoyage des vitres, peut utilement comprendre un compensateur de pression tel que décrit ci-dessus pour éviter la dégradation des organes contenus dans le module technique monté dans ledit réservoir.
[0023] Le réservoir équipé d'un compensateur de pression selon l'invention peut aussi comprendre isolément, ou en combinaison, les caractéristiques suivantes :
- L'angle de dépouille du corps du plongeur est compris entre 2° et 15° de sorte que, lorsque le plongeur remonte, un espace entre la glace et la surface du corps du plongeur se forme et permet au liquide contenu dans la bulle de s'échapper.
Le corps du plongeur a une forme sensiblement tronconique.
- Le corps du plongeur est substantiellement incompressible.
Le corps du plongeur est en polyoxyméthylène.
La tête du plongeur circule selon la direction verticale entre une limite haute et une limite basse, dans un cylindre creux fixé à une paroi supérieure du réservoir.
Le cylindre creux comprend un évent.
- Un dispositif exerce sur la tête du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas.
Le dispositif exerçant sur la tête du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas est formé par un ressort disposé dans le cylindre creux et interposé entre la tête du plongeur et la paroi supérieure du réservoir.
- La tête et le corps du plongeur forment un corps creux fermé en partie supérieure par une membrane hydrophobe.
La tête et le corps du plongeur forment un corps creux rempli d'une mousse à cellules fermées.
Un module technique immergé, installé verticalement au-dessous du compensateur de pression.
[0024] L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles :
La figure 1 représente une vue en coupe d'un réservoir dans lequel est implanté un compensateur de pression selon l'invention.
La figure 2 est une vue de détail du compensateur de la figure 1 .
La figure 3 illustre la situation dans laquelle le compensateur se soulève et laisse échapper une partie du liquide contenu dans la bulle de liquide.
La figure 4 illustre une forme alternative de réalisation du compensateur de pression.
[0025] La figure 1 représente schématiquement un réservoir 1 , fermé par une paroi supérieure 10, une paroi inférieure 11 et des parois latérales 12. Une tubulure de remplissage 13 permet de remplir le réservoir.
[0026] Un module technique 2 est implanté sur la paroi 11 formant le fond du réservoir 1 . Ce module technique traverse le fond du réservoir pour permettre de relier les organes contenus dans le module à une source d'alimentation électrique, aux modules de contrôle et de commande ou encore aux conduits de sortie du liquide se dirigeant vers le système de dépollution des gaz d'échappement et placés à la pression atmosphérique à l'extérieur du réservoir. Les autres organes secondaires tels que les évents, les moyens de chauffage ne sont pas représentés.
[0027] Le réservoir contient un liquide en train de congeler et comprenant un volume en phase solide G et un volume se présentant encore sous forme liquide L, et formant une bulle liquide, délimitée par le tracé en pointillé, entièrement emprisonnée dans le volume de glace G.
[0028] Le niveau N symbolise la ligne de séparation entre la partie supérieure du réservoir remplie de gaz V et le bloc de glace G. Ce niveau N correspond sensiblement au niveau du liquide contenu dans le réservoir avant que ce dernier ne commence à geler. La partie gazeuse V du réservoir est à la pression atmosphérique, et le gaz contenu dans cette partie est formé d'un mélange de liquide en phase vapeur et d'air.
[0029] Le compensateur de pression 3 est disposé verticalement au-dessus du module technique 2 de manière à protéger ce dernier des effets néfastes que pourrait produire une bulle de liquide L se formant dans cette zone. On observera ici que la bulle de liquide L peut s'étendre dans d'autres zones du réservoir dans lesquelles les effets de la surpression restent sans conséquence.
[0030] Le compensateur de pression comprend un plongeur 30 formé d'une tête 300 surmontant un corps 301 . Le corps du plongeur, 301 visible en détail à la figure 2, a ici la forme d'un tronc de cône d'axe vertical.
[0031] Cette forme tronconique est particulièrement bien adaptée pour que la surface du corps 301 du plongeur 30 présente une dépouille positive d'axe vertical selon une direction allant du haut vers le bas. En d'autres termes cela signifie que le corps 301 du plongeur 30 peut s'extraire vers le haut de la glace qui l'entoure sans être empêché par un relief particulier formant une contredépouille. Cette exigence indique qu'il convient qu'aucune surface du corps du plongeur, ou en d'autres termes qu'aucun plan tangent à la surface du corps du plongeur, ne soit strictement parallèle ou ne forme un angle négatif avec la verticale. Aussi le corps du plongeur peut avoir des formes aussi variées que par exemple la forme d'une pyramide inversée tronquée à son sommet.
[0032] Dans le cas d'espèce la forme tronconique fait un angle de dépouille positif constant a avec la direction verticale. Cet angle pourrait être égal à zéro mais on observera alors que les contraintes radiales exercées par la glace sur la surface du corps du plongeur et les forces de frottement s'exerçant entre la paroi du corps du plongeur et la glace peuvent empêcher la remontée du plongeur. Aussi on préférera choisir un angle de dépouille au moins égal à 2°.
[0033] On remarquera ici que, plus l'angle de dépouille est important, plus l'espace créé entre la glace et le corps du plongeur augmente, et plus le liquide présent dans la bulle peut s'échapper facilement. Un angle compris entre 2° et 15° semble pouvoir satisfaire toutes les conditions d'usage. Un angle de dépouille trop important aurait pour effet d'augmenter inutilement l'encombrement du compensateur. Et un angle de dépouille trop faible ne permet pas de dégager un espace permettant au liquide de s'échapper.
[0034] Bien évidemment, pour que la force de pression engendrée sur le corps 301 du plongeur provoque la remontée dudit plongeur, on s'arrange pour que le corps 301 du plongeur soit substantiellement incompressible. On entend ici par le terme « substantiellement » le fait que toute variation de volume liée à la pression exercée sur le corps du plongeur n'est pas de nature à modifier la résultante des forces permettant au plongeur de remonter.
[0035] Le corps du plongeur peut être formé d'un métal adapté pour pouvoir être immergé dans la solution contenue dans le réservoir.
[0036] Toutefois, pour réduire les forces de frottement entre la glace et le plongeur ainsi que l'érosion de la surface du plongeur 30, on pourra avantageusement réaliser le plongeur 30 à partir d'un matériau tel qu'un polyoxyméthylène. Grâce à sa structure et une haute cristallinité, ce matériau offre de très bonnes caractéristiques physiques : un faible coefficient de frottement et une très bonne résistance à l'abrasion, une résistance élevée à la traction et aux chocs, une très bonne résistance aux agents chimiques, une excellente stabilité dimensionnelle, une bonne résistance au fluage et enfin une large plage de température d'utilisation.
[0037] La figure 3 permet de visualiser le mouvement au cours duquel le plongeur 30 remonte et dégage un espace entre la glace G et la surface du plongeur, permettant ainsi au liquide contenu dans la bulle L de s'échapper. [0038] La hauteur h du corps 301 du plongeur 30 est adaptée pour que, lorsque la poche L de liquide apparaît lors du processus de congélation, la partie inférieure 303 du corps 301 soit immergée dans le liquide, la partie intermédiaire 303 du corps étant emprisonnée dans le volume G de glace surmontant la bulle de liquide et la partie supérieure 302 du corps du plongeur restant dans la partie aérienne V du réservoir.
[0039] Cette adaptation peut se faire par calcul en appliquant les lois de la thermodynamique et des échanges de chaleur entre les parois du réservoir et le liquide, ou plus simplement par une observation expérimentale de l'évolution de la congélation du liquide contenu dans le réservoir. En pratique, cela revient à positionner la partie basse du plongeur 30 au plus près du centre de la bulle liquide dont la localisation est faite par un processus expérimental.
[0040] Le corps 301 du plongeur 30 est surmonté d'une tête 300.
[0041] Cette tête 300 coulisse selon une direction sensiblement verticale dans un cylindre creux 31 dont la partie supérieure est rendue solidaire de la paroi supérieure 10 du réservoir 1 . On entend ici par sensiblement vertical une direction faisant un angle de +/- 15° et préférentiellement de +/- 10° avec la direction verticale.
[0042] Avantageusement le cylindre creux est formé d'un matériau thermoplastique compatible avec le matériau formant les parois du réservoir sur lequel il est soudé. En pratique, ce cylindre creux peut avantageusement être réalisé en Polyéthylène haute densité (PEHD).
[0043] Un évent 310 est positionné dans la partie supérieure du cylindre creux 31 .
[0044] La course de la tête 300 du plongeur est bloquée vers le bas par une collerette 311 interagissant avec un épaulement 305 disposé sur la tête du plongeur 30. De même, la course du plongeur est limitée vers le haut par la paroi 11 du réservoir, ou par une butée mécanique haute semblable à la butée basse décrite ci-dessus, ou encore par les spires jointives du ressort.
[0045] Un ressort 32 est interposé entre le sommet de la tête 300 et la paroi 11 . Ce ressort exerce une force constante dirigée du haut vers le bas sur la tête 300 du plongeur 30.
[0046] En adaptant judicieusement le tarage du ressort on peut de la sorte contrôler le seuil de la pression régnant dans la bulle de liquide L à partir duquel le plongeur 30 va effectuer une remontée. En dessus de ce seuil, le plongeur 30 remonte et relâche la pression dans la bulle de liquide L, en dessous de ce seuil le plongeur 30 revient en appui sur l'épaulement 305 ou, dans le cas où l'espace dans lequel circule le liquide viendrait à geler lui-même, sur la glace elle-même.
[0047] On observera ici que le ressort peut être remplacé par toute sorte de moyen équivalent permettant de faire monter ou descendre le plongeur de manière contrôlée. A titre d'exemple, et bien qu'il présente l'inconvénient d'augmenter la masse embarquée, un plongeur lesté pourrait également convenir.
[0048] Les parois de la tête 300 et du corps 301 du plongeur 30 délimitent un volume intérieur dans lequel il convient de veiller à ce que le liquide contenu dans le réservoir ne pénètre pas. A cet effet, on peut utilement recouvrir la partie supérieure de la tête du plongeur d'une membrane hydrophobe 306 ne laissant pas passer le liquide ou encore remplir ce volume d'une mousse à cellule fermée.
[0049] La figure 4 illustre une variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la tête 300 du plongeur 30 comporte une réduction 307 formant un appui incliné sur lequel le ressort 32 vient reposer. Cette réduction permet de faciliter l'écoulement du liquide vers le bas dans le cas non désiré où ce dernier viendrait à s'introduire par l'évent 310.
NOMENCLATURE
1 Réservoir.
10 Paroi supérieure du réservoir.
1 1 Paroi inférieure du réservoir.
12 Paroi latérale du réservoir.
13 Tubulure de remplissage.
2 Module technique.
3 Compensateur de pression.
30 Plongeur.
300 Tête du plongeur.
301 Corps du plongeur.
302 Partie supérieure aérienne du corps du plongeur.
303 Partie intermédiaire du corps du plongeur traversant la couche supérieure de glace.
304 Partie basse du corps du plongeur immergée dans la bulle de liquide.
305 Epaulement.
306 Membrane hydrophobe.
307 Réduction
31 Cylindre creux.
310 Event.
31 1 Collerette.
32 Ressort.
a Angle de dépouille.
h Hauteur du corps du plongeur.
G Liquide transformé en glace.
L Bulle de liquide enfermée dans la glace.
V Partie aérienne surmontant la glace.
N Niveau de la surface de glace formant l'interface entre le volume de liquide en phase solide G et la partie aérienne N.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Réservoir (1 ) fermé par des parois (10, 11 , 12) comprenant un compensateur de pression (3) pour réguler la pression dans une bulle de liquide (L) emprisonnée en totalité dans un volume de glace (G) en formation surmonté d'un volume de gaz (V), caractérisé en ce que le compensateur de pression (3) comprend un plongeur (30), mobile selon un axe vertical, formé d'une tête (300) surmontant un corps (301 ), et en ce que les faces du corps (301 ) du plongeur (30) présentent une dépouille (a) positive ou nulle selon une direction verticale et orientée du haut vers le bas, une hauteur (h) du corps (301 ) du plongeur (30) étant ajustée pour qu'une partie inférieure (304) du corps (301 ) reste immergée dans la bulle de liquide (L), et pour qu'une partie supérieure (302) du corps (301 ) traverse la couche supérieure de glace et demeure dans le volume de gaz (V) de sorte que, lorsque le plongeur (30) remonte sous l'action de la pression régnant dans la bulle de liquide (L) et s'exerçant sur la partie du corps (301 ) du plongeur restant immergée dans le liquide (L), un volume supplémentaire est crée au sein de l'espace occupé par la bulle de liquide (L) et contribue à réduire la pression dans cet espace.
2. Réservoir (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel l'angle de dépouille (a) du corps (301 ) du plongeur (30) est compris entre 2° et 15° de sorte que lorsque le plongeur remonte, un espace entre la glace (G) et la surface du corps (301 ) du plongeur se forme et permet au liquide contenu dans la bulle L de s'échapper.
3. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (301 ) du plongeur (30) a une forme sensiblement tronconique.
4. Réservoir (1 ) selon l"une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (301 ) du plongeur (30) est substantiellement incompressible.
5. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (301 ) du plongeur (30) est en polyoxyméthylène.
6. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête (300) du plongeur (30) circule selon la direction verticale entre une limite haute et une limite basse, dans un cylindre creux (31 ) fixé à une paroi supérieure (10) du réservoir (1 ).
7. Réservoir (1 ) selon la revendication 6, dans lequel le cylindre creux (31 ) comprend un évent (310).
8. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un dispositif (32) exerce sur la tête (300) du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas.
9. Réservoir (1 ) selon la revendication 8 prise en combinaison avec la revendication 6, dans lequel le dispositif exerçant sur la tête du plongeur une force constante prédéterminée dirigée du haut vers le bas est formé par un ressort (32) disposé dans le cylindre creux (31 ) et interposé entre la tête (300) du plongeur et la paroi supérieure (10) du réservoir (1 ).
10. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la tête (300) et le corps (301 ) du plongeur (30) forment un corps creux fermé en partie supérieure par une membrane hydrophobe (306).
1 1 . Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la tête (300) et le corps (301 ) du plongeur (30) forment un corps creux rempli d'une mousse à cellules fermées.
12. Réservoir (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un module technique (2) immergé, installé verticalement au-dessous du compensateur de pression (3).
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