FR3072443A1 - DEVICE FOR STORING CRYOGENIC FLUID - Google Patents
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Abstract
Dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une enceinte (2) sous vide abritant un réservoir (3) destiné à contenir du gaz liquéfié et une conduite (4) ayant une extrémité amont reliée au réservoir (3) et une extrémité aval débouchant en dehors de l'enceinte (2) pour évacuer du gaz, le dispositif comprenant un organe (4) de maintien mécanique du réservoir (3) dans l'enceinte (2), caractérisé en ce que ladite conduite (4) constitue un organe de maintien mécanique du réservoir (3) dans l'enceinte (2)Cryogenic fluid storage device comprising a vacuum chamber (2) housing a tank (3) for containing liquefied gas and a pipe (4) having a connected upstream end to the tank (3) and a downstream end opening out of the chamber (2) to evacuate gas, the device comprising a body (4) for mechanical tank retention (3) in the chamber (2), characterized in that said pipe (4) constitutes a mechanical tank holding member (3) in the chamber (2)
Description
L’invention concerne un dispositif de stockage de fluide cryogénique.The invention relates to a cryogenic fluid storage device.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de stockage de fluide cryogénique comprenant une enceinte sous vide abritant un réservoir destiné à contenir du gaz liquéfié et une conduite ayant une extrémité amont reliée au réservoir et une extrémité aval débouchant en dehors de l’enceinte pour évacuer du gaz, le dispositif comprenant un organe de maintien mécanique du réservoir dans l’enceinte.The invention relates more particularly to a cryogenic fluid storage device comprising a vacuum enclosure housing a tank intended to contain liquefied gas and a pipe having an upstream end connected to the tank and a downstream end opening out of the enclosure to evacuate gas, the device comprising a mechanical holding member of the reservoir in the enclosure.
Dans le cadre d’applications industrielles ou d’équipements à vocation de recherche scientifique, la cryogénie (domaine des très basses températures, par exemple pour des températures inférieures à la température de liquéfaction de l’azote) est un domaine où la réduction des entrées thermiques depuis l’environnement extérieur est un point technique critique.In the context of industrial applications or equipment intended for scientific research, cryogenics (field of very low temperatures, for example for temperatures below the liquefaction temperature of nitrogen) is an area where the reduction of inputs thermal from the outside environment is a critical technical point.
Ces installations utilisent souvent des réservoirs logés dans des enceintes isolées sous vide. Ces réservoirs peuvent être par exemple des pots de récupération de liquide de colonnes de distillation, des pots séparateurs liquide/gaz...These installations often use tanks housed in vacuum-insulated enclosures. These tanks can be, for example, pots for recovering liquid from distillation columns, liquid / gas separator pots, etc.
Les structures de maintien/support de tels réservoirs cryogéniques dans leur enceinte isolée (sous vide par exemple) comprennent généralement :The structures for maintaining / supporting such cryogenic tanks in their isolated enclosure (under vacuum for example) generally include:
- un système de cales conçues à partir d’isolants thermiques (mélange fibre de verre/époxy par exemple),- a system of shims designed from thermal insulators (fiberglass / epoxy mixture for example),
- un système de tirants (cas classique dans l’application des cryostats fonctionnant à la température de l’Hélium 4 liquide, ou plus bas par exemple).- a tie rod system (classic case in the application of cryostats operating at the temperature of liquid Helium 4, or lower for example).
L’invention vise à améliorer l’efficacité mécanique et/ou thermique de ce maintien/support.The invention aims to improve the mechanical and / or thermal efficiency of this support / support.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
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 ladite conduite est ou constitue un organe de maintien mécanique du réservoir dans l’enceinte.To this end, the device according to the invention, moreover conforms to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that said pipe is or constitutes a member for mechanically holding the reservoir in the enclosure. .
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics:
- l’extrémité supérieure du réservoir est reliée rigidement à l’extrémité amont de la conduite et l’extrémité aval de la conduite est relié rigidement à la structure supérieure de l’enceinte, de sorte que le réservoir est suspendu dans l’enceinte par la conduite,- The upper end of the tank is rigidly connected to the upstream end of the pipe and the downstream end of the pipe is rigidly connected to the upper structure of the enclosure, so that the tank is suspended in the enclosure by the driving,
- l’extrémité aval de la conduite est reliée mécaniquement à un ensemble de paroi(s) de supportage délimitant une portion supérieure de l’enceinte sous vide,- the downstream end of the pipe is mechanically connected to a set of support wall (s) delimiting an upper portion of the vacuum enclosure,
- l’ensemble de paroi(s) de supportage est relié à la conduite et au reste de la structure de l’enceinte sous vide par soudage,- the assembly of support wall (s) is connected to the pipe and to the rest of the structure of the vacuum enclosure by welding,
- l’enceinte comporte une paroi supérieure, l’ensemble de paroi(s) de supportage formant un dôme sur la paroi supérieure de l’enceinte et dont le volume interne communique avec le volume interne sous vide du reste de l’enceinte,the enclosure has an upper wall, the assembly of support wall (s) forming a dome on the upper wall of the enclosure and the internal volume of which communicates with the internal vacuum volume of the rest of the enclosure,
- la conduite intègre entre ses extrémités amont et aval une colonne de distillation de fluide et/ou un séparateur de phase destinée être alimentée en fluide pour produire du liquide récupéré dans le réservoir, le gaz généré dans la colonne de distillation et/ou le séparateur de phase étant récupéré dans la conduite et évacué vers l’extrémité aval de la conduite,- the pipe integrates between its upstream and downstream ends a fluid distillation column and / or a phase separator intended to be supplied with fluid to produce the liquid recovered in the tank, the gas generated in the distillation column and / or the separator phase being recovered in the pipe and evacuated towards the downstream end of the pipe,
- le dispositif comprend un écran thermique disposé autour d’au moins une partie du réservoir et/ou de la conduite,- the device comprises a heat shield arranged around at least part of the tank and / or of the pipe,
- l’écran thermique comprend une paroi tubulaire disposée autour d’au moins une partie du réservoir et/ou de la conduite ladite paroi étant refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite,the heat shield comprises a tubular wall disposed around at least a portion of the tank and / or of the pipe, said wall being cooled by heat exchange with a fraction of fluid from the pipe,
- le dispositif comprend un circuit de refroidissement de la paroi de l’écran comportant un tube enroulé sur la paroi et alimentée en gaz issu de la conduite,- the device comprises a cooling circuit for the wall of the screen comprising a tube wound on the wall and supplied with gas from the pipe,
- le tube enroulé sur la paroi comprend une extrémité amont alimentée en gaz prélevé à proximité de l’extrémité aval de la conduite, en aval de son extrémité amont, le tube s’enroule ensuite sur la paroi en direction de l’extrémité amont de la conduite, le tube comprend ensuite une extrémité aval qui vient se raccorder à proximité de l’extrémité aval de la conduite, fie sorte que le gaz qui circule dans le tube progresse essentiellement à contre-courant du sens de circulation du gaz dans la conduite,- the tube wound on the wall comprises an upstream end supplied with gas taken near the downstream end of the pipe, downstream from its upstream end, the tube is then wound on the wall in the direction of the upstream end of the pipe, the tube then comprises a downstream end which is connected near the downstream end of the pipe, so that the gas which circulates in the tube progresses essentially against the direction of the direction of circulation of the gas in the pipe ,
- le réservoir contient au moins l’un des constituant suivants liquéfié : du néon, de l'azote, du méthane, de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’hélium (ou un mélange de ces constituants) et en ce que le gaz évacué par la conduite comprend au moins parmi : du néon, de l’azote, du méthane, de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’hélium (ou un mélange de ces constituants).- the reservoir contains at least one of the following liquefied constituents: neon, nitrogen, methane, oxygen, hydrogen or helium (or a mixture of these constituents) and in this that the gas discharged through the pipe comprises at least among: neon, nitrogen, methane, oxygen, hydrogen or helium (or a mixture of these constituents).
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.The invention may also relate to any alternative device or process comprising any combination of the above or below characteristics.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other particularities and advantages will appear on reading the description below, made with reference to the figures in which:
- la figure 1 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible d’un dispositif de stockage selon l’invention,- Figure 1 shows a side view, schematic and partial, illustrating a first possible embodiment of a storage device according to the invention,
- la figure 2 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple de réalisation possible d’un dispositif de stockage selon l’invention,FIG. 2 represents a side view, schematic and partial, illustrating a second possible embodiment of a storage device according to the invention,
- la figure 3 représente une vue de côté en coupe, schématique et partielle, d’un détail de la figure 2.- Figure 3 shows a side view in section, schematic and partial, of a detail of Figure 2.
Le dispositif de stockage de fluide cryogénique illustré à la figure 1 comprend une enceinte 2 sous vide abritant un réservoir 3 destiné à contenir du gaz liquéfié (par soucis de simplification des conduites d’amenée de fluide dans le réservoir 3 ne sont pas représentées).The cryogenic fluid storage device illustrated in FIG. 1 comprises a vacuum enclosure 2 housing a reservoir 3 intended to contain liquefied gas (for the sake of simplification of the lines for supplying fluid to the reservoir 3 are not shown).
Le dispositif 1 comprend une conduite 4 verticale ayant une extrémité amont reliée au réservoir 3 et une extrémité aval débouchant en dehors de l’enceinte 2 sous vide, pour évacuer du gaz issu du réservoir.The device 1 comprises a vertical pipe 4 having an upstream end connected to the tank 3 and a downstream end opening out of the enclosure 2 under vacuum, for discharging gas from the tank.
Selon une particularité avantageuse, la conduite 4 (par exemple métallique) constitue un organe de maintien mécanique du réservoir 3 (par exemple métallique) dans l’enceinte 2.According to an advantageous feature, the pipe 4 (for example metallic) constitutes a mechanical holding member for the reservoir 3 (for example metallic) in the enclosure 2.
L’extrémité supérieure du réservoir 3 est reliée mécaniquement à l’extrémité amont de la conduite 4 (par exemple par soudage) et l’extrémité aval de la conduite 4 est reliée mécaniquement (par exemple par soudage) à la structure supérieure de l’enceinte 2 sous vide. Ainsi le résep/oir 3 peut être suspendu (par son col) dans l’enceinte 2 par la conduite 4.The upper end of the reservoir 3 is mechanically connected to the upstream end of the pipe 4 (for example by welding) and the downstream end of the pipe 4 is mechanically connected (for example by welding) to the upper structure of the enclosure 2 under vacuum. Thus the tank 3 can be suspended (by its neck) in the enclosure 2 by the pipe 4.
De préférence, l’extrémité aval de la conduite 4 est reliée (fixée) mécaniquement à la structure supérieure de l’enceinte 2 (de préférence métallique) via un ensemble de paroi(s) 5 de supportage mécanique (de préférence métallique).Preferably, the downstream end of the pipe 4 is mechanically connected (fixed) to the upper structure of the enclosure 2 (preferably metallic) via a wall assembly (s) 5 of mechanical support (preferably metallic).
Par exemple cet ensemble de paroi(s) 5 de supportage forme comme un « dôme » sur l’extrémité supérieure de l’enceinte 2 (par exemple globalement cylindrique). Le volume interne de ce « dôme » est sous vide commun avec le reste du volume interne du reste de l’enceinte 2 (c’est-à-dire que ces deux volumes communiquent et ont un vide commun).For example, this set of support wall (s) 5 forms like a "dome" on the upper end of the enclosure 2 (for example generally cylindrical). The internal volume of this "dome" is under common vacuum with the rest of the internal volume of the rest of enclosure 2 (that is to say that these two volumes communicate and have a common vacuum).
La température relativement faible du gaz qui transite dans la conduite 4 à la sortie de l’enceinte 2 (température typiquement comprise entre 15K et 130k permet de thermaliser (refroidir) ce support mécanique 4 et de limiter les entrées de chaleur dans le dispositif. Ceci est obtenu grâce au gradient thermique qui s’établit sur toute la longueur de cette structure de support.The relatively low temperature of the gas which passes through the pipe 4 at the outlet of the enclosure 2 (temperature typically between 15K and 130k makes it possible to thermalize (cool) this mechanical support 4 and to limit the entry of heat into the device. is obtained thanks to the thermal gradient which is established over the entire length of this support structure.
Avantageusement ce volume clos délimité par l’élément 5 de supportage autour de l’extrémité aval de la conduite 4 de sortie est mis sous vide (c’est-à-dire à une pression inférieure à la pression atmosphérique, pour augmenter son isolation thermique ce vide est de préférence commun avec le vide du reste de l’enceinte 2).Advantageously, this closed volume delimited by the support element 5 around the downstream end of the outlet pipe 4 is placed under vacuum (that is to say at a pressure below atmospheric pressure, to increase its thermal insulation this vacuum is preferably common with the vacuum of the rest of the enclosure 2).
L’ensemble de paroi(s) 5 délimitant ce volume et assurant une reprise d’efforts de support de la conduite 4 et du réservoir 3 sont par exemple soudées 6 sur la partie supérieure de l’enceinte 2 et sur l’extrémité aval de la conduite 4 (par exemple au niveau d’un collier 10 ou une bague montée sur la conduite 4). Ainsi, cette interface de soudage est à la température ambiante tandis que la température de la conduite 4 s’établit à une température moyenne, intermédiaire entre la température du réservoir 3 et la température ambiante extérieure à l’enceinte 2.The wall assembly (s) 5 delimiting this volume and ensuring a resumption of support forces from the pipe 4 and the tank 3 are for example welded 6 on the upper part of the enclosure 2 and on the downstream end of line 4 (for example at a collar 10 or a ring mounted on line 4). Thus, this welding interface is at ambient temperature while the temperature of the pipe 4 is established at an average temperature, intermediate between the temperature of the reservoir 3 and the ambient temperature outside the enclosure 2.
Les parois de l’enceinte 2 et du volume délimité par l’élément 5 de supportage peuvent être simples (ou doubles avec isolation sous vide).The walls of the enclosure 2 and of the volume delimited by the support element 5 can be single (or double with vacuum insulation).
Pour limiter encore plus les entrées thermiques, un écran thermique 8 peut être disposé autour d’au moins une partie du réservoir 3 et/ou de la conduite 4, notamment à l’intérieur de l’enceinte 2 cf. figure 2.To further limit the thermal inputs, a thermal screen 8 can be arranged around at least part of the tank 3 and / or of the pipe 4, in particular inside the enclosure 2 cf. figure 2.
Par exemple, l’écran thermique 8 comprend une paroi tubulaire disposée autour d’au moins une partie du réservoir 3 et/ou de la conduite 4 ladite paroi 8 étant refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite 4, permettant de limiter sensiblement les entrées de chaleur par rayonnement thermique.For example, the heat shield 8 comprises a tubular wall disposed around at least a portion of the reservoir 3 and / or of the pipe 4, said wall 8 being cooled by heat exchange with a fraction of fluid from the pipe 4, allowing significantly limit the heat input by thermal radiation.
Comme schématisé à la figure 3, la conduite 4 peut intégrer entre ses extrémités amont et aval une colonne 7 de distillation de fluide située dans l’enceinteAs shown schematically in Figure 3, the pipe 4 can integrate between its upstream and downstream ends a column 7 of fluid distillation located in the enclosure
2. Cette colonne peut être alimentée en fluide pour séparer et produire du liquide récupéré dans le réservoir 3. Le gaz généré dans la colonne 7 de distillation est récupéré dans la conduite 4 et évacué vers l’extrémité aval de la conduite 4 (cf. la flèche en pointillée qui symbolise la migration de gaz vers la partie supérieure de la conduite 4).2. This column can be supplied with fluid to separate and produce the liquid recovered in the tank 3. The gas generated in the distillation column 7 is recovered in line 4 and evacuated towards the downstream end of line 4 (cf. the dotted arrow which symbolizes the migration of gas to the upper part of the pipe 4).
Comme illustré, l’écran thermique 8 peut s’étendre autour d’au moins une partie du réservoir 3 et de la colonne 7 de distillation. L’écran 8 peut le cas échéant s’étendre dans le volume sous vide délimité par l’ensemble de paroi(s) 5 assurant le maintien de la conduite 4 et du réservoir 3.As illustrated, the heat shield 8 can extend around at least part of the tank 3 and of the distillation column 7. The screen 8 can if necessary extend into the vacuum volume delimited by the wall assembly (s) 5 ensuring the maintenance of the pipe 4 and of the tank 3.
L’écran thermique comprend par exemple une paroi 8 conductrice thermique tubulaire (métal approprié, par exemple aluminium, cuivre ou nuances d’acier inoxydable) disposée autour d’au moins une partie du réservoir 3 et/ou de la conduite 4. La paroi 8 peut être refroidie par échange thermique avec une fraction de fluide issu de la conduite 4. A cet effet le dispositif peut comprendre un circuit de refroidissement de la paroi 8 de l’écran comportant un tube 9 enroulé sur la paroi 8, par exemple soudé ponctuellement ou préférentiellement brasé (base étain ou argent, suivant le procédé de brasure à disposition) sur l’écran thermique 8 et alimentée en gaz issu de la conduite (gaz prélevé par exemple dans la conduite 4 dans la partie aval de la conduite 4 située encore dans l’enceinte 2). Avantageusement, le contact mécanique permettra d’assurer un contact thermique plus efficace et de ce fait une thermalisation de l’écran thermique plus performante.The heat shield comprises, for example, a tubular thermal conductive wall 8 (suitable metal, for example aluminum, copper or stainless steel grades) disposed around at least part of the tank 3 and / or of the pipe 4. The wall 8 can be cooled by heat exchange with a fraction of fluid from the pipe 4. For this purpose the device can comprise a cooling circuit for the wall 8 of the screen comprising a tube 9 wound on the wall 8, for example welded occasionally or preferably brazed (tin or silver base, depending on the brazing process available) on the heat shield 8 and supplied with gas from the pipe (gas taken for example in pipe 4 in the downstream part of pipe 4 located still in enclosure 2). Advantageously, the mechanical contact will make it possible to ensure a more efficient thermal contact and therefore a more efficient thermalization of the thermal screen.
Le tube 9 est enroulé sur la paroi 8 (par exemple le tube est métallique et soudé sur la paroi 8) et comprend une extrémité amont alimentée en gaz prélevé à proximité de l’extrémité aval de la conduite 4 puis une partie enroulée sur la paroi 8 en direction de l’extrémité amont de la conduite 4 (vers le bas sur les figures).The tube 9 is wound on the wall 8 (for example the tube is metallic and welded to the wall 8) and comprises an upstream end supplied with gas taken near the downstream end of the pipe 4 then a part wound on the wall 8 towards the upstream end of the pipe 4 (downwards in the figures).
Le tube 9 comprend ensuite une extrémité aval qui vient se raccorder à proximité de l’extrémité aval de la conduite 4 (par exemple dans le volume délimité par l’élément 5 de supportage). Ainsi le gaz froid c-irculant dans le tube 9 peut par exemple progresser sur la paroi 8 essentiellement à contre-courant du sens de circulation du gaz/liquide dans la conduite 4.The tube 9 then comprises a downstream end which is connected near the downstream end of the pipe 4 (for example in the volume delimited by the support element 5). Thus the cold gas c-circulating in the tube 9 can for example progress on the wall 8 essentially against the flow of the direction of circulation of the gas / liquid in the pipe 4.
Ainsi, le support mécanique du réservoir 3 est refroidi et le réservoir 3 est muni d’un écran thermique maintenu à une température cryogénique. Ceci permet une protection du dispositif contre des entrées thermiques.Thus, the mechanical support of the reservoir 3 is cooled and the reservoir 3 is provided with a heat shield maintained at a cryogenic temperature. This allows protection of the device against thermal inputs.
Le réservoir 3 peut contenir par exemple un mélange liquide/gaz comprenant au moins l’un des constituant suivants liquéfié : du néon, de l‘azote, du méthane, de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’hélium (ou un mélange de ces constituants) et le gaz évacué par la conduite 4 comprend au moins parmi : du néon, de l’azote, du 5 méthane, de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’hélium (ou un mélange de ces constituants).The tank 3 can contain, for example, a liquid / gas mixture comprising at least one of the following liquefied components: neon, nitrogen, methane, oxygen, hydrogen or helium (or a mixture of these constituents) and the gas discharged through line 4 comprises at least among: neon, nitrogen, methane, oxygen, hydrogen or helium (or a mixture of these constituents).
La température du gaz prélevé dans la conduite 4 pour circuler dans le tube de refroidissement de la paroi de l’écran thermique peut être comprise entre 15K et 130K.The temperature of the gas taken from line 4 to circulate in the cooling tube of the wall of the heat shield can be between 15K and 130K.
Un système de maintien radial (pour limiter un éventuel balancement du réservoir 3) peut être installé dans l’enceinte 2 notamment pour la période de transport du matériel. Par exemple, des anneaux de centrage constitués de matériaux isolants (résine à base d’époxy par exemple), peuvent être maintenus sur un pied relié mécaniquement à l’enceinte 2.A radial retention system (to limit possible rocking of the reservoir 3) can be installed in the enclosure 2, in particular for the period of transport of the material. For example, centering rings made of insulating materials (epoxy-based resin for example) can be held on a stand mechanically connected to enclosure 2.
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Citations (5)
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-
2017
- 2017-10-12 FR FR1701057A patent/FR3072443B1/en active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3072443B1 (en) | 2021-02-19 |
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