FR3103530A1 - Vanne cryogénique avec réduction du transfert thermique - Google Patents

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Abstract

Vanne cryogénique avec réduction du transfert thermique Vanne cryogénique (1), comportant : un clapet (4), une tête de commande (8), un corps de vanne (2) comportant un siège (3) de clapet et une partie tubulaire (10), la partie tubulaire (10) se raccordant à la tête de commande (8), une tige d’actionnement (7) reliant le clapet (4) à la tête de commande (8), mobile au sein de la partie tubulaire (10) du corps de vanne, une pluralité de rondelles (40) espacées sur la longueur de la tige (7) et obturant chacune sensiblement l’espace entre la tige et la partie tubulaire du corps de vanne, de façon à limiter les échanges thermiques par convection le long de la tige. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Vanne cryogénique avec réduction du transfert thermique
La présente invention concerne une vanne cryogénique.
Des exemples de vannes cryogéniques sont divulgués dans les demandes US 2009302253 A1 et EP672855 A1.
US2009302253 divulgue des vannes cryogéniques comportant une partie tubulaire traversée par une tige. Cette partie tubulaire comporte, sur sa surface extérieure, des ailettes pour faciliter l’échange thermique le long de la tige.
EP672855 divulgue une vanne pour un circuit de fluide cryogénique, comportant un soufflet solidaire d’une part d’un corps de la vanne et d’autre part d’une tige de la vanne. Le soufflet permet d’assurer l’étanchéité entre le fluide et une enceinte sous vide de la vanne.
Les vannes cryogéniques sont utilisées au contact de fluide à très basse température, et comportent généralement un corps de vanne définissant un siège de clapet et un clapet mobile monté à l’extrémité d’une tige entraînée par une tête de commande située dans un environnement de température plus élevée. Le corps de vanne comporte une partie tubulaire dans laquelle évolue la tige, et un isolant thermique est disposé dans celle-ci autour de la tige. Dans certaines applications, notamment mobiles, il est souhaitable de minimiser le poids de la vanne.
L’invention vise à proposer une vanne cryogénique de poids réduit, convenant par exemple à des applications mobiles, tout en étant de fonctionnement fiable.
L’invention répond à ce besoin grâce à une vanne cryogénique, comportant:
  • un clapet,
  • une tête de commande,
  • un corps de vanne comportant un siège de clapet et une partie tubulaire, la partie tubulaire se raccordant à la tête de commande,
  • une tige d’actionnement reliant le clapet à la tête de commande, mobile au sein de la partie tubulaire du corps de vanne sous l’action de la tête de commande,
  • une pluralité de rondelles espacées sur la longueur de la tige et obturant chacune sensiblement l’espace entre la tige et la partie tubulaire du corps de vanne, de façon à limiter les échanges thermiques par convection le long de la tige.
L’invention permet de limiter les échanges thermiques entre la partie froide de la vanne et la partie chaude de celle-ci, sans pour autant utiliser d’isolant thermique massif et lourd.
La présence des rondelles permet de former des chambres limitant la convection et les échanges thermiques. De plus, l’invention est compatible avec le fait que l’espace entre la tige et la partie tubulaire du corps de vanne soit à la même pression que l’alimentation en fluide cryogénique située en amont de la vanne. Cela permet d’éviter d’avoir à isoler la partie haute du corps de vanne du fluide cryogénique au moyen d’un soufflet, et la vanne gagne en simplicité et fiabilité.
De préférence, les rondelles sont portées par la tige, et se déplacent avec celle-ci. De préférence, la vanne comporte des manchons formant entretoises, disposés entre les rondelles le long de la tige. Ces manchons peuvent être de diamètre réduit, et ne génèrent de cette façon qu’un surpoids limité.
Les manchons sont par exemple en PTFE, PEEK ou en céramique et ont de préférence une épaisseur, mesurée dans une direction radiale, comprise entre 0,2mm et 2mm.
La tige peut présenter un épaulement contre lequel l’une des entretoises vient axialement en appui. La distance entre deux rondelles consécutives est par exemple inférieure à leur diamètre extérieur. La distance entre deux rondelles consécutives est par exemple inférieure à 12mm. De préférence, les rondelles ont une épaisseur inférieure ou égale à 1mm. Le nombre de rondelles est par exemple compris entre 2 et 20, mieux 5 et 15. Les rondelles sont par exemple en acier inoxydable ou en nickel pur, le matériau des rondelles étant de préférence un matériau réfléchissant le rayonnement infrarouge.
Le clapet peut comporter un obturateur en un matériau non métallique, par exemple du PTFE et un support d’obturateur, de préférence métallique, sur lequel l’obturateur est fixé. La tige peut présenter une collerette située à l’intérieur du support d’obturateur et la vanne comporter une rondelle d’arrêt contre laquelle la collerette peut venir en butée, fixée sur le support d’obturateur, notamment à l’aide d’un anneau élastique. L’obturateur peut comporter un orifice d’équilibrage de la pression, obturé par la tige quand la vanne est fermée. Un jeu axial peut exister entre la collerette précitée et la rondelle d’arrêt, pour permettre à la tige de se dégager de l’orifice d’équilibrage à l’ouverture de la vanne. De plus, cela permet de mettre à profit l’effet de choc sur l’obturateur.
La tête de commande comporte de préférence un actionneur électromagnétique.
L’invention a encore pour objet une installation cryogénique comportant une vanne selon l’invention, telle que définie plus haut.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé sur lequel:
la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d’un exemple de vanne selon l’invention,
la figure 2 représente isolément l’ensemble formé de la tige munie du clapet et des rondelles en perspective, et
la figure 3 représente l’ensemble de la figure 2, en coupe longitudinale.
Description détaillée
La vanne 1 représentée à la figure 1 comporte un corps de vanne 2 dont une partie, dite froide, définit un siège 3 pour un clapet 4.
Le corps de vanne 2 comporte une entrée 5 raccordée à une alimentation en fluide cryogénique, par exemple de l’hydrogène liquide, de l’oxygène liquide ou de l’hélium liquide, et une sortie 6 vers laquelle le fluide circule quand le clapet est en position ouverte.
Le clapet 4 est relié par une tige d’actionnement 7 à une tête de commande 8, située dans un environnement plus chaud que la partie froide. Par exemple, la partie froide est à -250°C environ, et la partie chaude à +60°C.
La tête de commande 8 comporte par exemple un actionneur électromagnétique, la vanne constituant alors une électrovanne.
Le corps de vanne 2 comporte une partie tubulaire 10, cylindrique de révolution d’axe X, au sein de laquelle s’étend la tige 7.
La partie tubulaire 10 se raccorde supérieurement à une embase 63 de la tête de commande 8, servant à sa fixation sur une paroi de support non représentée.
Dans l’exemple considéré, le siège 3 est défini par le bord d’une ouverture 65 communiquant avec un embout de sortie 12, situé dans l’axe de la tige 7.
La tige 7 est raccordée supérieurement à un noyau mobile 13 de la tête de commande 8. Un ressort de rappel 14 disposé autour de ce noyau 13 sollicite la vanne en position de fermeture.
La tête de commande 8 comporte tous les composants classiques d’une électrovanne (bobine, etc…), permettant de déplacer le noyau 13, et qui ne sont pas décrits davantage.
Le clapet 4 comporte un obturateur 19, par exemple en PTFE, destiné à venir en appui contre le siège 3 pour fermer la vanne, et un support d’obturateur 21 sous la forme d’un manchon serti à une extrémité sur l’obturateur 19.
La tige 7 peut être engagée, à son extrémité distale, dans un orifice central d’équilibrage 23 de l’obturateur 19, et le fermer quand le clapet est en position de fermeture.
La tige 7 présente une collerette 25 et une rondelle d’arrêt ajourée 26 est engagée sur la tige 7, pour maintenir cette dernière captive du support d’obturateur 21. La rondelle 26 est fixée sur le support d’obturateur 21 à l’aide d’un anneau élastique 30, en prise dans une gorge annulaire 32 ménagée sur la surface interne du support 21.
Le jeu axial entre la collerette 25 et la rondelle d’arrêt 26 permet à la tige 7 de se désengager de l’orifice d’équilibrage 23 à l’ouverture de la vanne, et permet un équilibrage des pressions avant le déplacement de l’obturateur 19 hors de son siège et de profiter de l’effet de choc sur l’obturateur.
La tige 7 présente un rétrécissement de sa section extérieure, qui définit un épaulement 35.
Des rondelles 40 sont montées sur cette portion rétrécie de la tige 7.
La première rondelle 40, du côté opposé au noyau mobile 13, vient en appui contre l’épaulement 35.
Des manchons formant entretoises 43 sont montés sur la portion rétrécie de la tige 7 entre les rondelles 40, pour maintenir celles-ci avec un écartement prédéfini le long de la tige 7. Ces entretoises sont par exemple en PTFE et la tige 7 en acier inoxydable. Les rondelles 40 sont par exemple métalliques, notamment en acier inoxydable. Leur diamètre extérieur est choisi proche du diamètre intérieur de la partie tubulaire 10 de façon à minimiser la section de passage pour le fluide entre les rondelles 40 et la partie tubulaire 10 tout en n’entravant pas le déplacement de la tige 7 en créant un frottement sur la paroi tubulaire 10.
La distance entre deux rondelles 40 est choisie suffisamment faible pour éviter la formation de mouvements convectifs de grande ampleur au sein de la vanne, et ainsi limiter les échanges thermiques le long de la tige 7.
On obtient ainsi un gradient de température bien réparti sur la longueur de la tige 7 et l’on diminue l’écart de température entre d’une part la tête de commande 8 et d’autre part la partie adjacente de la tige 7 et de la partie tubulaire 10 du corps de vanne.
Dans l’exemple considéré, la distance entre deux rondelles 40 consécutives est ainsi inférieure à leur diamètre extérieur, et cette distance correspond par exemple comme illustré à sensiblement la moitié de ce diamètre extérieur.
Du côté du noyau 13, un écrou 50 est vissé sur la tige 7 pour serrer axialement les entretoises 43 et rondelles 40. La tige 7 peut être vissée dans le noyau 13, comme illustré.
Le nombre de rondelles 40 est par exemple de l’ordre d’une dizaine, comme illustré, mais ce nombre peut varier en fonction de la longueur de la tige 7.
Le fonctionnement de la vanne 1 est le suivant.
Au repos, la tige 7 est poussée par le ressort 14 contre l’obturateur, ce qui ferme l’orifice d’équilibrage 23 de celui-ci et plaque l’obturateur 19 contre le siège 3, pour fermer la vanne. La pression d’entrée peut aider à contraindre l’obturateur en position fermée.
En position de fermeture, l’espace intérieur à la partie tubulaire 10 du corps de vanne est à la même pression que l’alimentation, le support d’obturateur 21 ne fermant pas le corps de vanne 2.
Les échanges thermiques sont néanmoins limités, car les mouvements de convection de grande ampleur sont entravés par la présence des nombreuses cellules formées entre les rondelles 40, qui entravent les mouvements de fluide.
Il en résulte un gradient de température relativement faible le long de la tige 7, et donc un moindre refroidissement de la tête de commande 8 par le fluide.
Pour ouvrir la vanne 1, l’électroaimant est excité, et le noyau 13 remonte, entraînant dans son mouvement la tige 7. Cette dernière dégage l’orifice d’équilibrage 23, ce qui permet un équilibrage des pressions de part et d’autre de l’obturateur 19, puis le clapet 4 peut remonter dans son ensemble lorsque la collerette 25 vient en butée sur la rondelle d’arrêt 26. Cette remontée du clapet 4 éloigne l’obturateur 19 du siège 3, et le fluide peut circuler par le passage ainsi libéré entre l’obturateur 19 et le siège 3.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.
Par exemple, le corps de vanne 2 peut être réalisé autrement, de façon monolithique ou par assemblage d’éléments constitutifs ayant des formes autres. De même, la tige 7 peut être réalisée autrement, de façon monolithique ou non.
La tête de commande 8 peut être pneumatique ou hydraulique, plutôt qu’électromagnétique.
La tige 7 peut être mobile autrement qu’axialement au sein du corps de vanne, notamment être mobile en rotation.
La dissipation thermique peut être améliorée par l’ajout d’un drain thermique connectable à la culasse de l’actionneur électromagnétique via un orifice taraudé borgne et une surface plane.

Claims (14)

  1. Vanne cryogénique (1), comportant:
    • un clapet (4),
    • une tête de commande (8),
    • un corps de vanne (2) comportant un siège (3) de clapet et une partie tubulaire (10), la partie tubulaire (10) se raccordant à la tête de commande (8),
    • une tige d’actionnement (7) reliant le clapet (4) à la tête de commande (8), mobile au sein de la partie tubulaire (10) du corps de vanne,
    • une pluralité de rondelles (40) espacées sur la longueur de la tige (7) et obturant chacune sensiblement l’espace entre la tige et la partie tubulaire du corps de vanne, de façon à limiter les échanges thermiques par convection le long de la tige.
  2. Vanne selon la revendication 1, les rondelles (40) étant portées par la tige (7).
  3. Vanne selon la revendication 2, comportant des manchons formant entretoises (43), entre les rondelles (40) le long de la tige (7).
  4. Vanne selon la revendication 3, la tige (7) présentant un épaulement (35) contre lequel l’une des entretoises vient axialement en appui.
  5. Vanne selon la revendication 3 ou 4, les manchons formant entretoises (43) étant en PTFE, PEEK ou céramique, de préférence ayant une épaisseur comprise entre 0,2mm et 2mm.
  6. Vanne selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, la distance entre deux rondelles consécutives étant inférieure à leur diamètre extérieur.
  7. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’épaisseur des rondelles étant inférieure ou égale à 1mm.
  8. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, les rondelles étant en acier oxydable ou en nickel pur ou tout autre matériau réfléchissant le rayonnement infrarouge.
  9. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, le nombre de rondelles (40) étant compris entre 2 et 20, mieux 5 et 15.
  10. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’espace entre la tige (7) et la partie tubulaire (10) du corps de vanne étant à la même pression que l’alimentation en fluide cryogénique située en amont de la vanne.
  11. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, le clapet (4) comportant un obturateur (19) en un matériau non métallique et un support d’obturateur métallique (21) sur lequel l’obturateur est fixé.
  12. Vanne selon la revendication 11, la tige (7) présentant une collerette (25) située à l’intérieur du support d’obturateur (21) et la vanne comportant une rondelle d’arrêt (26) contre laquelle la collerette (25) peut venir en butée, fixée sur le support d’obturateur, notamment à l’aide d’un anneau élastique (30).
  13. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, la tête de commande (8) comportant un actionneur électromagnétique.
  14. Installation cryogénique comportant une vanne telle que définie dans l’une quelconque des revendications précédentes.
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