FR2935774A1 - Dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz - Google Patents

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

L'invention porte sur un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz (8), comprenant une source de gaz (1), au moins une tête d'injection (2) adaptée pour être montée sur un orifice de remplissage de la bouteille de gaz (8), une canalisation d'alimentation (3) reliant la source de gaz (1) à la tête d'injection (2). Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que la canalisation d'alimentation (3) relie directement la source de gaz (1) à la tête d'injection (2) afin que la pression dans la canalisation d'alimentation (3) soit sensiblement égale à la pression génératrice de la source de gaz (1), et en ce que la tête d'injection (2) comporte un organe de détente du gaz pour assurer à la fois une accélération supersonique du flux de gaz et un refroidissement du gaz au niveau de l'orifice de remplissage de la bouteille de gaz (8). La présente invention trouve une application dans le domaine des bouteilles de stockage de gaz naturel ou d'hydrogène équipant des véhicules automobiles.

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz. Elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif de remplissage comprenant une source de gaz, au moins une tête d'injection adaptée pour être montée sur un orifice de remplissage de la bouteille de gaz et une canalisation d'alimentation reliant la source de gaz à la tête d'injection. Un dispositif actuel de remplissage d'une bouteille de gaz 90 à haute pression, typiquement de l'ordre de 100 à 1000 bars, est illustré en figure 1 et comprend une source ou réservoir de gaz 91, à pression constante ou faiblement variable, une canalisation 92 d'alimentation au sein de laquelle se trouve une section de passage 93 minimale critique, formée par un détendeur, une vanne ou un orifice calibré, réglable ou non, pilotant le débit de remplissage, et un connecteur de raccordement 94 monté sur l'orifice de remplissage de la bouteille de gaz 90. La structure de l'écoulement dans la bouteille de gaz 90 comprend un jet principal 95 se formant depuis l'orifice de remplissage, et une zone de gaz de faible vitesse 96 située au fond de la bouteille. Lors du remplissage de la bouteille, il se forme en effet dans le fond de la bouteille cette zone de gaz de faible vitesse 96 qui a tendance à s'échauffer fortement par effet piston sans se mélanger aux gaz frais du jet principal 95 introduits par l'orifice de remplissage située à l'autre extrémité de la bouteille. La longueur et la structure du jet principal 95 dépendent de nombreux paramètres, dont le diamètre et la longueur de la canalisation 92 d'alimentation en amont, la position de la section de passage 93, le rapport de détente entre la pression dans la bouteille 90 et la pression dans la canalisation 92, qui dépend lui-même du rapport de détente entre le réservoir 91 et la bouteille 90. Le jet principal 95 a donc une impulsion et une longueur très variable au cours du remplissage, et dépendant du couplage acoustique entre la bouteille 90 et la canalisation 92. Une partie de l'énergie cinétique créée lors de l'accélération de l'écoulement dans le jet sous-détendu qui se forme dans la canalisation 92 après la section de passage 93 est transformée en chaleur dans la canalisation 92 dans des structures d'ondes de détente et de recompression, avec des zones supersoniques et subsoniques, et dans les frottements avec la paroi interne de la canalisation 92. Ainsi, l'écoulement est rapidement subsonique en tout point de la bouteille 90 dès les premiers instants du remplissage, et la longueur du jet principal 95 est insuffisante pour assurer un bon mélange des gaz frais avec le gaz déjà présent dans la bouteille 90. Ce phénomène est particulièrement critique pour les bouteilles de facteur de forme très allongé pour lesquelles il a été constaté que la distribution de la température du gaz dans la bouteille au cours du remplissage et en phase de refroidissement est inhomogène et peut conduire à des zones chaudes dont la température est nettement supérieure à la température moyenne. Le remplissage à haute pression des bouteilles de gaz engendre donc une augmentation de la température du gaz à l'intérieur de la bouteille lors de sa compression. Cette augmentation de la température est d'autant plus importante que le débit de gaz, et donc la vitesse de remplissage, est importante car la chaleur accumulée dans la bouteille n'a pas le temps d'être évacuée par conduction à travers les parois de celle-ci, ce qui pose différents problèmes. Un premier problème réside dans le fait que les matériaux constituant la bouteille doivent être maintenus en dessous d'une température seuil maximale, au delà de laquelle leurs caractéristiques mécaniques se dégradent rapidement. Ainsi, dans le domaine automobile, il est connu d'employer des bouteilles de stockage d'hydrogène ou de gaz naturel, afin par exemple d'alimenter une pile à combustible ou un moteur à combustion interne, qui soient allongées pour des raisons d'encombrement et qui soient réalisées avec des matériaux composites pour des raisons de gain en poids. Cependant, de tels matériaux composites présentent une température seuil maximale relativement basse et susceptible d'être rapidement atteinte lors de l'étape de remplissage de la bouteille de gaz. L'emploi de ces matériaux composites imposent donc de limiter au maximum l'augmentation de la température lors du remplissage de la bouteille de gaz afin de ne pas compromettre l'emploi de solutions de transport non polluantes, par exemple pour les applications hydrogène ou gaz naturel sur véhicule automobile. Un second problème repose sur le fait que, lorsque la température du gaz augmente, la masse de gaz stockée dans la bouteille à la pression nominale de remplissage diminue. Le phénomène d'échauffement limite donc la masse de gaz transférable rapidement dans la bouteille de gaz lors de son remplissage. Dans l'application susmentionnée aux véhicules automobiles, limiter la masse de gaz formant carburant du véhicule conduit à réduire d'autant l'autonomie du véhicule. Il est donc important de minimiser l'augmentation de la température du gaz dans la bouteille lors d'un remplissage rapide ou à haute pression de la bouteille, et d'améliorer l'homogénéité du mélange dans la bouteille lors du remplissage. Pour répondre en tout ou partie à ces problèmes, il est connu de l'état de la technique plusieurs solutions plus ou moins satisfaisantes. La demande de brevet EP 1 331 289 Al décrit un procédé de remplissage d'une bouteille de gaz dans lequel il est prévu de réduire la température du gaz à la fin du remplissage en injectant du gaz froid. Un tel procédé présente des inconvénients liés principalement à la résistance de la bouteille aux basses températures et au coût énergétique lié au refroidissement. De plus, le mélange de ces gaz froids avec les gaz chauds accumulés au fond de la bouteille n'est pas garanti lors d'un tel procédé. Le brevet US 6 598 624 B2 décrit un procédé de remplissage d'une bouteille de gaz avec un débit variable qui permettrait de réduire l'augmentation de température du gaz. Cependant, cette méthode d'optimisation du procédé actuel n'améliore pas le transfert d'énergie entre la bouteille et l'extérieur ni le mélange à l'intérieur de celle-ci et ne permet donc pas une réduction de température suffisante, pour les pressions de stockage et les vitesses de remplissage visées, à savoir notamment les remplissages rapides et à haute pression. Le brevet US 6 742 554 décrit une bouteille de gaz comprenant une enveloppe interne afin de faire circuler du gaz frais au contact de la paroi externe de la bouteille et de confiner le gaz chaud à l'intérieur de l'enveloppe interne. Bien que ce dispositif avec enveloppe interne améliore les échanges convectifs et le mélange dans la bouteille mais engendre un surcoût ainsi qu'une augmentation de la masse de la bouteille, et donc du véhicule dans le cas d'une application hydrogène ou gaz naturel sur véhicule automobile. La présente invention a notamment pour but de résoudre tout ou partie des inconvénients susmentionnés, et propose en cela un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz, comprenant une source de gaz, au moins une tête d'injection adaptée pour être montée sur un orifice de remplissage de la bouteille de gaz, une canalisation d'alimentation reliant la source de gaz à la tête d'injection, ledit dispositif étant remarquable en ce que la canalisation d'alimentation relie directement la source de gaz à la tête d'injection afin que la pression dans la canalisation d'alimentation soit sensiblement égale à la pression génératrice de la source de gaz, et en ce que la tête d'injection comporte un organe de détente du gaz pour assurer à la fois une accélération supersonique du flux de gaz et un refroidissement du gaz au niveau de l'orifice de remplissage de la bouteille de gaz. Ainsi, le dispositif selon l'invention se propose d'une part de se passer d'une section de passage réduite dans la canalisation d'alimentation, comme un détendeur, une vanne ou un orifice calibré, afin de conserver un écoulement subsonique de faible vitesse dans toute la canalisation d'alimentation et que la pression soit maintenue très proche de la pression génératrice de la source de gaz, cette pression génératrice étant du type haute pression de l'ordre de 100 à 1000 bars pour un remplissage rapide de la bouteille de gaz. Le dispositif selon l'invention se propose d'autre part d'intégrer un organe de détente directement dans la tête d'injection, elle-même montée directement sur l'orifice de remplissage de la bouteille, afin de convertir l'écoulement subsonique dans la canalisation d'alimentation en un jet supersonique dans la bouteille de gaz. L'accélération supersonique et le refroidissement du gaz, associée à sa détente induite par l'organe de détente intégré dans la tête d'injection, se fait donc au niveau de l'orifice de remplissage de bouteille, favorisant ainsi les échanges convectifs entre les gaz chauds et les parois de la bouteille. L'invention permet ainsi d'augmenter la longueur du jet principal entrant dans la bouteille, de sorte que la zone chaude de gaz stagnant en fond de bouteille est mieux mélangée avec les gaz frais entrant, minimisant en conséquence l'augmentation de la température du gaz dans la bouteille lors d'un remplissage rapide ou à haute pression de la bouteille, et améliorant l'homogénéité du mélange dans la bouteille lors du remplissage. Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de 30 l'invention, l'organe de détente comprend l'un au moins parmi les organes suivants : - au moins un orifice calibré ; - une tuyère convergente-divergente comprenant une zone de convergence en amont du flux de gaz suivie d'une zone de divergence en aval du flux de 35 gaz ; - une tuyère rotative adaptée pour permettre une détente isentropique du gaz ; - une tuyère du type auto-adaptative ou aerospike linéaire. Dans le cas d'une tuyère auto-adaptative ou aerospike linéaire , cette dernière comporte avantageusement une pièce mobile disposée dans une conduite convergente pour le flux de gaz entrant dans la tête d'injection, ladite pièce mobile et ladite conduite étant adaptées pour que le flux de gaz puisse circuler via un interstice formé entre ladite pièce mobile et ladite conduite convergente afin que le flux de gaz traverse d'abord une zone de convergence en amont de la conduite convergente suivie d'une zone de divergence en aval de la conduite convergente. Dans une réalisation particulière, la tête d'injection comprend en outre au moins un élément d'inclinaison du flux de gaz adapté pour que le flux de gaz entrant dans la bouteille de gaz soit incliné selon un angle prédéterminé. En inclinant le jet principal entrant dans la bouteille, via ledit élément d'inclinaison, il est possible de générer un mouvement de rotation global dans la bouteille qui conduira à une meilleure homogénéisation du gaz au sein de la bouteille. Une telle réalisation pourrait faire l'objet d'une protection stricto sensu. Selon une caractéristique, l'élément d'inclinaison comprend une portion de conduite linéaire débouchant dans la bouteille de gaz, où ladite portion de conduite linéaire est inclinée selon un angle prédéterminé relativement à une direction principale.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la tête d'injection comprend en outre au moins un organe de déviation du flux de gaz adapté pour faire tourbillonner le flux de gaz en rajoutant une composante tangentielle à un écoulement principal essentiellement linéaire à l'intérieur de la canalisation d'alimentation.
Rajouter une composante tangentielle à l'écoulement permet de favoriser le brassage du gaz en entrée de la bouteille, et donc conduire à une meilleure homogénéisation du gaz au sein de la bouteille. Selon une caractéristique, l'organe de déviation comprend une tuyère munie sur son pourtour d'ailettes de déviation ou d'au moins un activateur pneumatique adapté pour créer un écoulement secondaire tangentiel à l'écoulement principal et pour dévier ce dernier.
Dans une certaine réalisation de l'invention, le dispositif comprend en outre une buse allongée, pourvue d'orifices sur tout ou partie de sa longueur et raccordée à la tête d'injection afin que le flux de gaz sortant de la tête d'injection s'écoule dans ladite buse qui est destinée à pénétrer à l'intérieur de la bouteille de gaz. Une telle réalisation pourrait faire l'objet d'une protection stricto sensu. Une telle buse pourrait par exemple être du type tube creux formée d'une paroi tubulaire dans laquelle sont ménagés des orifices, ou du type tige ou canne poreuse.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif comprend en outre un dispositif de désengagement de l'organe de détente de la tête d'injection, ledit dispositif de désengagement comprenant : - une pièce mobile solidaire de l'organe de détente et pourvue d'au moins un orifice de passage du flux de gaz en sus de l'organe de détente ; 15 - une pièce fixe ; et - au moins un organe de poussée de ladite pièce mobile relativement à ladite pièce fixe, ledit organe de poussée étant conformé pour exercer un effort déterminé sur la pièce mobile tendant à l'écarter de la pièce fixe pour dégager l'orifice de la pièce mobile afin de permettre que le gaz circule via 20 ledit orifice et via l'organe de détente En utilisation, le ou les organes de poussée sont donc adaptés pour s'opposer à l'effort de pression résultant de la différence de pression entre la canalisation d'alimentation et la bouteille de gaz et s'exerçant sur la pièce mobile, afin que 25 - au delà d'une valeur seuil de l'effort de pression, notamment en début de remplissage de la bouteille de gaz, la pièce mobile est plaquée contre la pièce fixe et le gaz ne circule que via l'organe de détente, et - en deçà de ladite valeur seuil de l'effort de pression, notamment en fin de remplissage de la bouteille de gaz, la pièce mobile est décollée par rapport à la 30 pièce fixe et le gaz circule via l'orifice de la pièce mobile et via l'organe de détente. L'organe de détente est avantageusement situé au centre de la pièce mobile, tandis que le ou les orifices de passage du flux de gaz sont situés sur la périphérie de la pièce mobile. 35 Ainsi, dans le cas de remplissage de bouteilles à de très fortes pressions, notamment supérieures à 100 bars, le dispositif de désengagement permet de ne pas limiter le débit de remplissage en fin de remplissage. Ce mode de réalisation repose sur le principe que tant que la différence de pression entre l'intérieur de la bouteille et la canalisation d'alimentation est supérieure à une valeur seuil définie, seul l'organe de détente est engagé pour la circulation du gaz. Au cours du remplissage, la pression dans la bouteille augmente et la différence de pression de part et d'autre de la tête d'injection diminue. Dès que la valeur seuil est atteinte, le dispositif de désengagement permet de désengager la tête d'injection afin de laisser passer une plus grande quantité de gaz par le ou les orifices de la pièce mobile qui sera décollée par le ou les organes de poussée. Selon une caractéristique, l'organe de poussée est du type mécanique et comprend au moins un organe élastique, du type ressort, monté entre la pièce fixe et la pièce mobile. Selon une autre caractéristique, l'organe de poussée est du type magnétique et comprend au moins un premier aimant solidaire de la pièce fixe et présentant une polarité donnée, et au moins un deuxième aimant solidaire de la pièce mobile et présentant la même polarité que le premier aimant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz classique, connu de l'art antérieur ; - la figure 2 est vue schématique d'un dispositif de remplissage d'une 25 bouteille de gaz conforme à l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique partielle d'un autre dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz conforme à l'invention ; - la figure 4 est vue schématique d'une buse allongée adaptée pour équiper un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz conforme à 30 l'invention ; - la figure 5 est vue schématique illustrant l'inclinaison du flux de gaz au niveau d'un orifice de remplissage d'une bouteille de gaz ; - la figure 6 est vue schématique selon deux plans distincts illustrant l'inclinaison du flux de gaz au niveau de deux orifices opposés de 35 remplissage d'une bouteille de gaz ; - les figures 7 et 8 sont des vues schématiques de deux variantes de réalisation d'un dispositif de désengagement adapté pour équiper un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz conforme à l'invention ; - les figures 9 et 10 sont des graphiques illustrant respectivement les températures maximales atteintes dans la bouteille et l'homogénéité de la bouteille au cours d'une phase de remplissage pour un dispositif de remplissage classique et deux dispositifs de remplissage conforme à l'invention. Un mode de réalisation d'un dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz 8 selon l'invention est illustré en figure 2, et comprend : - une source de gaz 1, ou réservoir de gaz, sous une pression de l'ordre de 100 à 1000 bars dite haute pression ; - une tête d'injection 2 montée directement sur un orifice de remplissage de la bouteille 8 ; et - une canalisation d'alimentation 3 reliant directement la source de gaz 1 à la tête d'injection 2, autrement dit une canalisation 3 absente de tout dispositif de détente type détendeur, orifice calibré ou autre valve, afin que la pression dans la canalisation d'alimentation 3 soit sensiblement égale à la pression génératrice de la source de gaz 1.
La tête d'injection 2 présente une tuyère convergente-divergente comprenant une zone de convergence 20 en amont du flux de gaz suivie d'une zone de divergence 21 en aval du flux de gaz, formant ainsi un rétrécissement de la section d'écoulement (autrement appelé col) suivi d'un élargissement de la section d'écoulement (autrement appelé divergent).
En sortie de tuyère, on obtient ainsi un écoulement le plus proche des conditions d'adaptation possible en début de remplissage, c'est-à-dire au moment où les échauffements sont maximaux. Un écoulement adapté grâce à cette tuyère abouti à un jet principal 80 plus long que dans des conditions hors adaptation, comme illustré en figure 1, ce qui engendre des mouvements convectifs plus importants dans la bouteille 8, limitant ainsi les gradients de température entre l'orifice de remplissage et le fond 81 de la bouteille 8. Afin d'améliorer la pénétration du jet principal 80 dans la bouteille 8, il est possible notamment d'adapter la forme de la zone de divergence (ou divergent) aux conditions de pression lors du remplissage.
Dans une première variante non illustrée, la tuyère convergente- divergente est remplacé par un orifice calibré, précédé éventuellement d'un col ou convergent. L'absence de détendeur ou autre dispositif de détente dans la canalisation d'alimentation 3 assure que l'écoulement arrive avec une énergie importante en amont de l'orifice calibré, générant ainsi un jet principal suffisamment long pour brasser efficacement le gaz dans la bouteille et garantir l'homogénéisation de la température du gaz à l'intérieur de cette bouteille. L'orifice calibré peut être constitué d'une zone de convergence destinée à faire le raccord entre la canalisation d'alimentation et la conduite de sortie de la tête d'injection. Dans une deuxième variante non illustrée, la tuyère convergente- divergente est remplacée par une tuyère rotative qui permettrait d'effectuer une détente isentropique plus efficace qu'une détente de type Joule û Thomson isenthalpique induite par un rétrécissement. Une telle tuyère rotative procure ainsi un refroidissement du gaz important. Dans une troisième variante illustrée en figure 3, la tuyère 15 convergente-divergente est remplacée par une tuyère du type auto-adaptative ou aerospike linéaire qui comporte : - une conduite convergente 22 pour le flux de gaz entrant dans la tête d'injection 22, ladite conduite convergente 22 formant un col pour l'écoulement du gaz 20 - une pièce mobile 23 disposée dans la conduite convergente 22, ladite pièce mobile se déplaçant en fonction de la différence de pression entre l'amont et l'aval de la pièce de tête d'injection 2, autrement dit entre la canalisation d'alimentation et la bouteille 8. La pièce mobile 23 présente une partie d'extrémité 24 s'étendant à 25 l'intérieur de la bouteille 8 et dont la section va en diminuant entre la conduite convergente 22 et la bouteille 8, de sorte que ladite partie d'extrémité 24 forme un divergent (ou une zone de divergence) pour l'écoulement du gaz positionné directement à l'intérieur de la bouteille 8. La forme de la conduite convergente 22 et de la pièce mobile 23 30 sont adaptées pour que le flux de gaz puisse circuler via un interstice 25 formé entre ladite pièce mobile 23 et ladite conduite convergente 22, ledit interstice 25 formant une zone de convergence du flux de gaz suivie d'une zone de divergence le long de la partie d'extrémité 24. Lors de l'augmentation de la pression dans la bouteille 8 au cours 35 du remplissage de celle-ci, le rapport détente de la tuyère auto-adaptative varie, c'est-à-dire que le rapport entre la pression dans la bouteille 8 et la pression dans la canalisation d'alimentation 3 peut varier de quelques millièmes au début du remplissage à une valeur proche de l'unité en fin de remplissage si la pression génératrice de la source de gaz n'est supérieure que de quelques dizaines de bars à la pression finale dans ladite bouteille 8.
Cette variation de la pression dans la bouteille 8 conduit à un déplacement de la pièce mobile 23 en direction de la canalisation d'alimentation 3 et ainsi à une augmentation de la section de la zone de convergence de l'interstice 25. Ainsi, la variation de la pression dans la bouteille 8 dans laquelle débouche le jet principal est compensé par une auto- adaptation de la section de passage du flux de gaz, et donc par une auto-adaptation du diamètre dudit jet principal qui diminue entre le début du remplissage, ainsi qu'illustré par la flèche 801, et la fin du remplissage, ainsi qu'illustré par la flèche 802. Cette troisième variante de l'invention évite ainsi les phénomènes de décollement de jet et d'ondes de chocs observés dans une tuyère fonctionnant hors adaptation, telle que la tuyère convergente-divergente ou l'orifice calibré, et garantit la cohérence du jet quel que soit le rapport de détente. L'impulsion du jet principal est donc maximale tout ou long du remplissage, et sa longueur est suffisante pour assurer un brassage du gaz dans toute la bouteille 8. Comparativement à une tuyère convergente-divergente, la tuyère auto-adaptive présente en outre l'avantage que la détente isentropique du gaz se fait au contact de la pièce mobile 23 qui peut avantageusement être réalisée dans un matériau métallique, comme par exemple en acier ou en cuivre ou en laiton, qui supporte le contact avec le gaz refroidi à basse température. Au final, la tuyère auto-adaptative présente l'avantage de répartir la surchauffe engendrée par les recirculations de gaz dans la bouteille de manière homogène en générant un long jet principal supersonique, garantissant ainsi un mélange et des échanges de chaleur supérieurs aux solutions connus tout en étant économique et robuste. Pour améliorer l'homogénéité de la distribution de température dans la bouteille, il est envisageable d'apporter plusieurs perfectionnement aux différents modes de réalisation de l'invention susmentionnés. Un premier perfectionnement consiste à raccorder sur la tête 35 d'injection une buse allongée pourvue d'orifices sur tout ou partie de sa longueur. La buse est destinée à s'étendre à l'intérieur de la bouteille et préférentiellement sur toute la longueur de ladite bouteille. Le raccordement entre la buse 4 et la tête d'injection est tel que, comme illustré en figure 4, le jet principal 80 (ou flux de gaz sortant de la tête d'injection) s'écoule dans ladite buse 4 et se disperse en partie via les orifices 40 prévus sur la buse 4. Cette buse 4 permet d'éviter toute zone morte où la compression engendrerait de forts échauffements, en amenant un débit équilibré sur toute la longueur de la bouteille. Il est particulièrement avantageux que la buse 4 occupe la totalité de la longueur de la bouteille pour éviter tout effet piston dans le fond de la bouteille. La buse 4 illustrée en figure 4 se présente sous la forme d'un tube creux constitué d'une paroi tubulaire dans laquelle sont ménagés des orifices. En variante non illustrée, la buse peut se présenter sous la forme d'une tige ou canne poreuse.
Un deuxième perfectionnement, non illustré, consiste à incorporer au moins un organe de déviation du flux de gaz afin de faire tourbillonner le flux de gaz en entrée de la bouteille. En rajoutant une composante tangentielle à un écoulement principal essentiellement linéaire à l'intérieur de la canalisation d'alimentation 3, l'organe de déviation favorise le brassage du gaz en entrée de la bouteille. En sus de l'organe de détente susmentionné, l'organe de déviation peut être réalisé avec une tuyère ou une conduite munie sur son pourtour d'ailettes de déviation du flux, où les ailettes sont inclinées les unes par rapport aux autres afin que le flux de gaz traversant forme un écoulement hélicoïdal ou en spirale. Dans une variante, l'organe de déviation comprend au moins un activateur pneumatique adapté pour créer un écoulement secondaire tangentiel à l'écoulement principal afin de dévier cet écoulement principal. Ainsi, une partie de l'écoulement principal peut être déviée par une canalisation secondaire afin d'être ramenée de façon tangentielle dans l'écoulement principal, conduisant à une déviation de l'écoulement principal. L'organe de déviation favorise avantageusement le mélange du gaz au sein de la bouteille mais limitent la pénétration du jet principal. Un troisième perfectionnement consiste à incorporer au moins un élément d'inclinaison du flux de gaz adapté pour que le jet principal (ou flux de gaz entrant dans la bouteille de gaz) soit incliné selon un angle prédéterminé.
Comme illustré en figure 5, la bouteille 8 de gaz est allongée et s'étend selon un axe longitudinal X, et l'élément d'inclinaison 5, réalisé sous la forme d'une portion de conduite linéaire, est incliné par rapport à l'axe longitudinal selon un angle a non nul afin que le jet principal 80 de gaz entrant la bouteille 8 soit incliné par rapport à l'axe longitudinal X de ce même angle a non nul. Cet angle d'injection a du gaz dans la bouteille 8 est déterminé de manière à ce que le jet principal vise l'un des coins opposés du fond de la bouteille, ceci afin de générer un mouvement de rotation global dans la bouteille 8 et permettre une meilleure homogénéisation. Les effets de l'angulation sont positifs tant au niveau de la température maximale atteinte dans la bouteille 8 que de l'homogénéisation du gaz au sein de cette bouteille 8. Les effets de l'angulation sont présentés ultérieurement en référence aux graphiques des figures 9 et 10.
Dans une variante illustrée en figure 6, le dispositif selon l'invention comprend deux éléments d'inclinaison pour assurer une injection du gaz par les deux extrémités de la bouteille 8 avec deux portions de conduite linéaire 5 opposées et inclinées par rapport à l'axe longitudinal X afin de générer deux jets principaux 80 entrants dans la bouteille 8 de manière à obtenir un mouvement de rotation d'ensemble du gaz dans la bouteille 8. Pour optimiser ce mouvement de rotation, il faut que les angles d'injection 6 et c soient tels que les deux jets principaux 80 visent des angles ou coins opposés de la bouteille 8 et ne restent pas dans un plan médian de la bouteille 8. Ainsi, dans le premier plan médian de la bouteille correspondant au plan (X, Y), les jets principaux 80 sont inclinés relativement à l'axe longitudinal X selon un angle e non nul. Dans le deuxième plan médian de la bouteille correspondant au plan (X, Z) perpendiculaire au plan (X, Y), les jets principaux 80 sont inclinés relativement à l'axe longitudinal X selon un angle c non nul. Un quatrième perfectionnement consiste à prévoir un dispositif de désengagement de l'organe de détente de la tête d'injection 2, ledit dispositif de désengagement étant conçu pour que, en fin de remplissage de la bouteille sous haute pression, soit évité une trop fort limitation du débit induite par l'organe de détente (orifice calibré, tuyère auto-adaptative, tuyère convergente-divergente etc.).
Comme illustré aux figures 7 et 8, le dispositif de désengagement 6 comprenant : - une pièce mobile 61 solidaire de l'organe de détente et pourvue d'au moins un orifice de passage 60 du flux de gaz en sus de l'organe de détente ; - une pièce fixe 62 ; et - au moins un organe de poussée 63 de ladite pièce mobile 61 relativement à ladite pièce fixe 62, ledit organe de poussée 63 étant adapté pour s'opposer à l'effort de pression résultant de la différence de pression entre la canalisation d'alimentation 3 et la bouteille de gaz 8 et s'exerçant sur la pièce mobile 6, afin que - au delà d'une valeur seuil de l'effort de pression, en début de remplissage de la bouteille 8, la pièce mobile 61 est plaquée contre la pièce fixe 62 et le gaz ne circule que via l'organe de détente, et - en deçà de ladite valeur seuil de l'effort de pression, en fin de remplissage de la bouteille 8, la pièce mobile 61 est décollée par rapport à la pièce fixe 62 et le gaz circule via le ou les orifices 60 de la pièce mobile 6 et via l'organe de détente. Sur les figures 7 et 8, l'organe de détente est formé directement dans la pièce mobile 61, au centre de ladite pièce mobile 61, avec une zone de convergence ou col 26 suivi directement d'un orifice calibré 27. Bien entendu, tous les autres organes de détente décrits ci-dessus sont envisageables. Les orifices 60 sont ménagés sur la périphérie de la pièce mobile 61. La pièce mobile 61 et/ou la pièce fixe 62 peuvent supporter un joint d'étanchéité 64, par exemple du type joint torique, pour que, en début de remplissage, le plaquage de la pièce mobile 61 contre la pièce fixe 62 soit jointif.
Dans le mode de réalisation de la figure 7, l'organe de poussée 63 est du type mécanique et comprend un organe élastique, du type ressort, montés entre la pièce fixe 62 et la pièce mobile 61 et disposés sur la périphérie de la pièce mobile 61. Dans cette réalisation, c'est le ressort 63 qui génère le désengagement en exerçant une force contraire à celle générée par la pression en amont de la pièce mobile 61. Dès que la pièce mobile 61 est dégagée au décollée de la pièce fixe 62, les orifices 60 situés en périphérie laissent passer une part importante de débit de gaz. En jouant sur la force de rappel du ressort 63, on définit la valeur seuil de pression nécessaire au désengagement ou décollement de la pièce mobile 61. En outre, en jouant sur les sections de passage des orifices 60, on contrôle le débit de gaz une fois que la pièce mobile 61 est décollée.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 8, l'organe de poussée est du type magnétique et comprend au moins un premier aimant solidaire de la pièce fixe 62 et présentant une polarité positive, et au moins un deuxième aimant solidaire de la pièce mobile 61 et présentant une polarité positive. Dans le cas d'une force magnétique, la force de poussée est inversement proportionnelle au carré de la distance séparant la pièce fixe 62 de la pièce mobile 61, ce qui a pour effet de limiter la force de rappel qui tend à rapprocher les deux pièces 61, 62 après séparation, rendant donc plus stable le mode désengagé.
Le graphique de la figure 9 représente la température maximale Tmax (en degrés Celsius) atteinte dans la bouteille en fonction du temps t (en secondes) lors d'un remplissage de ladite bouteille effectué dans les mêmes conditions de débit, avec trois courbes distinctes, à savoir : - une première courbe 101 associée à un dispositif de remplissage connu, tel 15 que celui décrit en référence à la figure 1, équipé d'un détendeur sur la canalisation d'alimentation ; - une deuxième courbe 102 associée à un dispositif de remplissage conforme à l'invention où l'organe de détente de la tête d'injection est réalisé sous la forme d'un orifice calibré et où aucune inclinaison du jet principal n'est 20 effectuée ; - une troisième courbe 103 associée à un dispositif de remplissage conforme à l'invention où l'organe de détente de la tête d'injection est réalisé sous la forme d'un orifice calibré et où une inclinaison du jet principal d'un angle de 5 degrés est effectuée. 25 La température maximale Tmax représente la moyenne de température mesurée par deux thermocouples placés dans le fond de la bouteille. On note ainsi une différence de température maximale moyenne AT de l'ordre de 15 °C entre les première 101 et deuxième courbes 102, illustrant de ce fait la capacité de l'invention à diminuer la température au sein de la 30 bouteille. On note également que la courbe troisième 103 est située sous la deuxième courbe 102, démontrant ainsi le gain en température apporté par un élément d'inclinaison du flux de gaz en entrée de la bouteille. Le graphique de la figure 10 représente l'écart-type a des mesures de la température (en pourcentage) rapporté à la moyenne des mesures de 35 température mesurées dans la bouteille en fonction du temps t (en secondes) lors du remplissage de ladite bouteille, avec trois courbes distinctes, à savoir : - une première courbe 111 associée à un dispositif de remplissage connu, tel que celui décrit en référence à la figure 1, équipé d'un détendeur sur la canalisation d'alimentation ; - une deuxième courbe 112 associée à un dispositif de remplissage conforme à l'invention où l'organe de détente de la tête d'injection est réalisé sous la forme d'un orifice calibré et où aucune inclinaison du jet principal n'est effectuée ; - une troisième courbe 113 associée à un dispositif de remplissage conforme à l'invention où l'organe de détente de la tête d'injection est réalisé sous la forme d'un orifice calibré et où une inclinaison du jet principal d'un angle de 5 degrés est effectuée. On note ainsi qu'à la fin du remplissage de la bouteille, située à t=25 s environ et illustrée par la ligne F, l'écart-type a est inférieure d'environ 5% pour la deuxième courbe 1123 par rapport à la première courbe 111, illustrant ainsi une meilleure homogénéisation des températures dans la bouteille entre un dispositif conforme à l'invention et un dispositif classique. De même, l'inclinaison du jet principal entrant dans la bouteille semble également améliorer l'homogénéisation des températures dans la bouteille lors de son remplissage.
Bien entendu l'exemple de mise en oeuvre évoqué ci-dessus ne présente aucun caractère limitatif et d'autres détails et améliorations peuvent être apportés au dispositif de remplissage selon l'invention, sans pour autant sortir du cadre de l'invention où d'autres formes d'organe de détente dans la tête d'injection peuvent être réalisées.25

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de remplissage d'une bouteille de gaz (8), comprenant une source de gaz (1), au moins une tête d'injection (2) adaptée pour être montée sur un orifice de remplissage de la bouteille de gaz (8), une canalisation d'alimentation (3) reliant la source de gaz (1) à la tête d'injection (2), caractérisé en ce que la canalisation d'alimentation (3) relie directement la source de gaz (1) à la tête d'injection (2) afin que la pression dans la canalisation d'alimentation (3) soit sensiblement égale à la pression génératrice de la source de gaz (1), et en ce que la tête d'injection (2) comporte un organe de détente du gaz pour assurer à la fois une accélération supersonique du flux de gaz et un refroidissement du gaz au niveau de l'orifice de remplissage de la bouteille de gaz (8).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de détente comprend au moins un orifice calibré (27).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de détente comprend une tuyère convergente-divergente comprenant une zone de convergence (20) en amont du flux de gaz suivie d'une zone de divergence (21) en aval du flux de gaz.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de détente comprend une tuyère rotative adaptée pour permettre une détente isentropique du gaz.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de détente comprend une tuyère du type auto-adaptative ou aerospike linéaire.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la tuyère auto-adaptative ou aerospike linéaire comporte une pièce mobile (23) disposée dans une conduite convergente (22) pour le flux de gaz entrant dans la tête d'injection, ladite pièce mobile (23) et ladite conduite convergente (22) étant adaptées pour que le flux de gaz puisse circuler via un interstice (25) formé entre ladite pièce mobile (23) et ladite conduite convergente (22) afin que le flux de gaz traverse d'abord une zone deconvergence en amont de la conduite convergente suivie d'une zone de divergence en aval de la conduite convergente.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête d'injection comprend en outre au moins un élément d'inclinaison (5) du flux de gaz adapté pour que le flux de gaz entrant dans la bouteille de gaz (8) soit incliné selon un angle (a ; 8, 0) prédéterminé.
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel l'élément d'inclinaison comprend une portion de conduite linéaire (5) débouchant dans la bouteille de gaz (8), où ladite portion de conduite linéaire (5) est inclinée selon un angle (a ; 8, 0) prédéterminé relativement à une direction principale (X).
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête d'injection comprend en outre au moins un organe de déviation du flux de gaz adapté pour faire tourbillonner le flux de gaz en rajoutant une composante tangentielle à un écoulement principal essentiellement linéaire à l'intérieur de la canalisation d'alimentation.
  10. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l'organe de déviation comprend une tuyère munie sur son pourtour d'ailettes de déviation ou d'au moins un activateur pneumatique adapté pour créer un écoulement secondaire tangentiel à l'écoulement principal et pour dévier ce dernier.
  11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une buse (4) allongée, pourvue d'orifices (40) sur tout ou partie de sa longueur et raccordée à la tête d'injection (2) afin que le flux de gaz sortant de la tête d'injection s'écoule dans ladite buse (4) qui est destinée à pénétrer à l'intérieur de la bouteille de gaz (8).
  12. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de désengagement (6) de l'organe de détente (26, 27) de la tête d'injection (2), ledit dispositif de désengagement (6) comprenant : - une pièce mobile (61) solidaire de l'organe de détente (26, 27) et pourvue d'au moins un orifice de passage (60) du flux de gaz en sus de l'organe de détente (26, 27) ;- une pièce fixe (62) ; et - au moins un organe de poussée (63) de ladite pièce mobile (61) relativement à ladite pièce fixe (62), ledit organe de poussée (63) étant conformé pour exercer un effort déterminé sur la pièce mobile (61) tendant à l'écarter de la pièce fixe (62) pour dégager l'orifice (60) de la pièce mobile (61) afin de permettre que le gaz circule via ledit orifice (60) et via l'organe de détente (26, 27).
  13. 13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel l'organe de poussée (63) est du type mécanique et comprend au moins un organe élastique, du type ressort, monté entre la pièce fixe (62) et la pièce mobile (61).
  14. 14. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel l'organe de poussée (63) est du type magnétique et comprend au moins un premier aimant solidaire de la pièce fixe (62) et présentant une polarité donnée, et au moins un deuxième aimant solidaire de la pièce mobile (61) et présentant la même polarité que le premier aimant.
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