EP4361492A1 - Dispositif de stockage de fluide cryogénique - Google Patents

Dispositif de stockage de fluide cryogénique Download PDF

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EP4361492A1
EP4361492A1 EP23187161.7A EP23187161A EP4361492A1 EP 4361492 A1 EP4361492 A1 EP 4361492A1 EP 23187161 A EP23187161 A EP 23187161A EP 4361492 A1 EP4361492 A1 EP 4361492A1
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EP
European Patent Office
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wall
junction portion
junction
equipment
welded
Prior art date
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Pending
Application number
EP23187161.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Robin LADOUS
Loïc Jeunesse
Jérôme LOSCO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F17C2260/031—Dealing with losses due to heat transfer
    • F17C2260/032—Avoiding freezing or defrosting

Definitions

  • the invention relates to a cryogenic fluid storage device, for example for the storage of liquefied hydrogen.
  • the invention relates more particularly to a cryogenic fluid storage device comprising a first wall made of aluminum alloy forming a reservoir and a second wall delimiting a volume intended to house a set of tank equipment, for example at least one valve, the second wall being fixed to the first wall by welding.
  • the invention relates in particular to a vacuum-insulated tank for cryogenic fluids (typically liquid hydrogen) provided with an equipment box (sometimes called a "valve box”).
  • This housing or “valve box” is a part of the cryogenic tank which contains all or part of the components associated with storage (valve(s), heat exchanger(s), safety device(s), etc.). These components generally require thermal insulation, preferably vacuum type.
  • This valve box is usually made of the same material as the outer casing of the tank. This makes it possible to directly connect the envelope of the valve box to the wall of the tank, by welding for example. As part of an external stainless steel envelope, the valve box made of the same material and assembly is simple to implement. This solution, however, leads to a relatively large mass reservoir.
  • An aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the second wall is made of stainless steel in that the welding of the second wall to the first wall is produced via a junction portion composed of an alloy based on an aluminum alloy and stainless steel and interposed between the two walls.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • the cryogenic fluid storage device 1 illustrated comprises a first wall 2 made of aluminum alloy delimiting a tank and a second wall 4 delimiting an adjacent volume or housing intended to house a set of tank equipment, for example at least one valve , at least one heat exchanger, circuitry, ...
  • the reservoir and the adjacent housing each have a general cylindrical shape with a circular section.
  • any other shape is possible for one or both containers.
  • the first wall 2 is for example the outer envelope of the tank and is arranged around a third wall 3 delimiting the storage volume for cryogenic fluid.
  • the first wall 2 is arranged for example around the third wall 3 with a spacing 7 thermally insulated, preferably under vacuum, so that the tank is of the double wall type 2, 3.
  • the second wall 4 is made of stainless steel and is welded to the first wall 2 via a junction portion 5 composed of an alloy based on an aluminum alloy and stainless steel and interposed between the two walls 2, 4.
  • this structure provides a bi-material type junction (typically comprising an aluminum alloy and a stainless steel alloy).
  • This junction portion 5 can be obtained for example by explosion or diffusion welding.
  • This arrangement makes it possible to provide a stainless steel valve box, capable of integrating all or part of the partition crossings (fluidic and/or electrical) in a more satisfactory manner than with an aluminum wall, and which is reliably assembled to a 2 tank wall made of aluminum alloy.
  • the second wall 4 can thus include passages 6 symbolized by orifices in the schematic representations configured to allow watertight passage of the second wall (passage of cables and/or pipes, etc.).
  • the second wall 4 and the first wall 2 can be welded respectively at two ends of the junction portion 5. That is to say that the assembly can be carried out by welding stainless steel to stainless steel then aluminum to aluminum.
  • the portions of the second wall 4 and the first wall 2 welded respectively at two ends of the junction portion 5 can be thinned relative to the junction portion 5 and/or relative to the rest of the walls 4, 2.
  • the junction portion has a central thickness of around 10 mm while its edges welded to the walls have a lower thickness, for example of around 1 to 2 mm.
  • the junction portion 5 may have the general shape of a ring.
  • the first wall 2 and the second wall 4 can each comprise a tubular end welded on a circumference of the ring formed by the junction portion 5.
  • first wall 2 and/or the second wall 4 has a generally cylindrical shape.
  • the welded end of the first wall 2 can in particular be at the level of an integral cylindrical connection attached to the first wall 2.
  • the volume delimited by the second wall 4 is under vacuum and for example communicates with the space 7, for example by an orifice or passage (and therefore preferably shares the same vacuum).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une première paroi (2) en alliage d'aluminium formant un réservoir et une seconde paroi (4) délimitant un volume prévu pour abriter un ensemble d'équipements du réservoir, par exemple au moins une vanne, la seconde paroi (4) étant fixée à la première paroi par soudage, caractérisé en ce que la seconde paroi (4) est en acier inoxydable en en ce le soudage de la seconde paroi (4) à la première paroi (2) est réalisé via un portion (5) de jonction composé d'un alliage à base d'alliage d'aluminium et d'acier inoxydable et interposée entre les deux parois (2, 4).

Description

  • L'invention concerne un dispositif de stockage de fluide cryogénique, par exemple pour le stockage d'hydrogène liquéfié.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une première paroi en alliage d'aluminium formant un réservoir et une seconde paroi délimitant un volume prévu pour abriter un ensemble d'équipements du réservoir, par exemple au moins une vanne, la seconde paroi étant fixée à la première paroi par soudage.
  • L'invention concerne en particulier un réservoir isolé sous vide pour des fluides cryogéniques (typiquement de l'hydrogène liquide) muni d'un boîtier d'équipements (appelé parfois "boite à vanne"). Ce boîtier ou "boite à vanne" est une partie du réservoir cryogénique qui contient tout ou partie des composants annexes au stockage (vanne(s), échangeur(s) de chaleur, dispositif(s) de sécurité, etc.). Ces composants nécessitent généralement de bénéficier d'une isolation thermique de préférence de type sous vide.
  • Cette boîte à vanne est habituellement composée du même matériau que l'enveloppe externe du réservoir. Ceci permet de pouvoir lier directement l'enveloppe de la boîte à vanne avec la paroi du réservoir, par soudage par exemple. Dans le cadre d'une enveloppe externe en acier inoxydable, la boîte à vanne réalisée dans le même matériau et l'assemblage est simple à mettre en oeuvre. Cette solution conduit cependant à un réservoir de masse relativement importante.
  • Dans le cas d'un réservoir plus léger, par exemple en alliage d'aluminium par exemple, la réalisation de l'enveloppe de la boîte à vanne en aluminium pose des problèmes. Compte tenu du grand nombre de traversées (orifices de passage) de la paroi de ce boîtier, les soudures aluminium, moins fiables que des soudures en alliage d'acier inoxydable, peuvent être défectueuses. Le réservoir cryogénique étant généralement doté d'une isolation sous vide statique, une liaison vissée entre l'enveloppe extérieure du réservoir et l'enveloppe de la boîte à vanne est risquée.
  • Pour cette raison, dans le cas d'un réservoir en alliage d'aluminium, les équipements habituellement présents dans une boîte à vannes ne sont pas intégrés dans un tel boîtier. Dans ce cas, les équipements sont alors mal ou pas isolés thermiquement et sujets à la condensation (d'eau ou d'air). Ceci peut poser des problèmes d'exploitation ou de sécurité.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la seconde paroi est en acier inoxydable en en ce que le soudage de la seconde paroi à la première paroi est réalisé via un portion de jonction composé d'un alliage à base d'alliage d'aluminium et d'acier inoxydable et interposée entre les deux parois.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la seconde paroi et la première paroi sont soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion de jonction,
    • les portions de la seconde paroi et de la première paroi soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion de jonction sont amincies relativement à la portion de jonction et/ou relativement au reste des parois,
    • la portion de jonction a la forme d'une bague, la première paroi et la seconde paroi comprenant chacune une portion tubulaire dont une extrémité circulaire est soudée sur la circonférence de la bague formée par la portion de jonction,
    • la première paroi et/ou la seconde paroi a une forme générale cylindrique,
    • la portion soudée de la première paroi et/ou la seconde paroi est située au niveau d'un piquage cylindrique solidaire de la paroi,
    • le volume délimité par la seconde paroi abrite au moins l'un parmi, au moins une vanne, un échangeur de chaleur, une portion de conduite, un appareillage électrique, une portion de tuyauterie,
    • la seconde paroi comprend au moins un passage configuré pour la traversée de la seconde paroi par un ou des équipement(s),
    • le dispositif comprend une troisième paroi délimitant un volume de stockage pour du fluide cryogénique, la première paroi étant disposée autour de la troisième paroi avec un espacement isolé thermiquement de sorte que le réservoir est du type à double parois,
    • l'espacement entre la première et la troisième paroi est sous vide,
    • le volume délimité par la seconde paroi est sous vide et communique avec l'espacement.
  • 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 schématique et partielle, de côté, d'un exemple de dispositif de stockage selon l'invention,
    • [Fig. 2] est une vue schématique et partiellement en coupe, d'un détail d'un autre mode de réalisation du dispositif selon 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.
  • Le dispositif 1 de stockage de fluide cryogénique illustré comprend une première paroi 2 en alliage d'aluminium délimitant un réservoir et une seconde paroi 4 délimitant un volume ou boîtier adjacent prévu pour abriter un ensemble d'équipements du réservoir, par exemple au moins une vanne, au moins un échangeur de chaleur, de la circuiterie, ...
  • Dans l'exemple de la [Fig. 1], le réservoir et le boîtier adjacent ont chacun une forme générale cylindrique à section circulaire. Bien entendu, tout autre forme est envisageable pour l'un ou les deux contenants.
  • La première paroi 2 est par exemple l'enveloppe extérieure du réservoir et est disposée autour d'une troisième paroi 3 délimitant le volume de stockage pour du fluide cryogénique. La première paroi 2 est disposée par exemple autour de la troisième paroi 3 avec un espacement 7 isolé thermiquement, de préférence sous vide, de sorte que le réservoir est du type à double parois 2, 3. La seconde paroi 4 est en acier inoxydable et est soudée à la première paroi 2 via une portion 5 de jonction composée d'un alliage à base d'alliage d'aluminium et d'acier inoxydable et interposée entre les deux parois 2, 4.
  • C'est-à-dire que cette structure prévoit une jonction de type bi-matière (typiquement comprenant un alliage d'aluminium et un alliage d'acier inoxydable). Cette portion 5 de jonction peut être obtenue par exemple par soudage par explosion ou par diffusion.
  • Cet arrangement permet de prévoir une boîte à vanne en acier inoxydable, apte à intégrer tout ou partie des traversées de cloisons (fluidiques et/ou électriques) de manière plus satisfaisante qu'avec une paroi aluminium, et qui est assemblée de façon fiable à une paroi 2 de réservoir en alliage d'aluminium. La seconde paroi 4 peut ainsi comporter des passages 6 symbolisés par des orifices dans les représentations schématiques configurés pour permettre la traversée étanche de la seconde paroi (passage de câbles et/ou conduites...).
  • La seconde paroi 4 et la première paroi 2 peuvent être soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion 5 de jonction. C'est-à-dire que l'assemblage peut être réalisé via une soudure acier inoxydable avec acier inoxydable puis aluminium avec aluminium.
  • Comme visible à la [Fig. 2], les portions de la seconde paroi 4 et de la première paroi 2 soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion 5 de jonction peuvent être amincies relativement à la portion 5 de jonction et/ou relativement au reste des parois 4, 2. Par exemple la portion de jonction a une épaisseur centrale de l'ordre de 10 mm tandis que ses bordures soudées aux parois ont une épaisseur inférieure, par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm.
  • La portion 5 de jonction peut avoir la forme générale d'une bague. La première paroi 2 et la seconde paroi 4 peuvent comprendre chacune une extrémité tubulaire soudée sur une circonférence de la bague formée par la portion 5 de jonction.
  • Par exemple, la première paroi 2 et/ou la seconde paroi 4 a une forme générale cylindrique.
  • L'extrémité soudée de la première paroi 2 peut en particulier être au niveau d'un piquage cylindrique solidaire rapportée sur la première paroi 2.
  • De préférence le volume délimité par la seconde paroi 4 est sous vide et par exemple communique avec l'espacement 7, par exemple par un orifice ou passage (et donc partage de préférence le même vide).

Claims (11)

  1. Dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une première paroi (2) en alliage d'aluminium formant un réservoir et une seconde paroi (4) délimitant un volume prévu pour abriter un ensemble d'équipements du réservoir, par exemple au moins une vanne, la seconde paroi (4) étant fixée à la première paroi par soudage, caractérisé en ce que la seconde paroi (4) est en acier inoxydable en en ce que le soudage de la seconde paroi (4) à la première paroi (2) est réalisé via un portion (5) de jonction composé d'un alliage à base d'alliage d'aluminium et d'acier inoxydable et interposée entre les deux parois (2, 4).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde paroi (4) et la première paroi (2) sont soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion (5) de jonction.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portions de la seconde paroi (4) et de la première paroi (2) soudées respectivement au niveau de deux extrémités de la portion (5) de jonction sont amincies relativement à la portion (5) de jonction et/ou relativement au reste des parois (4, 2).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la portion (5) de jonction a la forme d'une bague et en ce que (4) la première paroi (2) et la seconde paroi (4) comprennent chacune une portion tubulaire dont une extrémité circulaire est soudée sur la circonférence de la bague formée par la portion (5) de jonction.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première paroi (2) et/ou la seconde paroi (4) a une forme générale cylindrique.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion soudée de la première paroi (2) et/ou la seconde paroi (4) est située au niveau d'un piquage cylindrique solidaire de la paroi (2, 4).
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le volume délimité par la seconde paroi (4) abrite au moins l'un des équipements suivants faisant partie du dispositif de stockage : au moins une vanne, un échangeur de chaleur, une portion de conduite, un appareillage électrique, une portion de tuyauterie.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la seconde paroi (4) comprend au moins un passage (6) configuré pour la traversée de la seconde paroi par un ou des équipement(s).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième paroi (3) délimitant un volume de stockage pour du fluide cryogénique et en ce que la première paroi (2) est disposée autour de la troisième paroi (3) avec un espacement (7) isolé thermiquement de sorte que le réservoir est du type à double parois (2, 3).
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espacement (7) entre la première (2) et la troisième (3) paroi est sous vide.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le volume délimité par la seconde paroi (4) est sous vide et communique avec l'espacement (7).
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