WO2023217996A1 - Vanne cryogénique et ensemble comprenant une telle vanne - Google Patents

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WO2023217996A1
WO2023217996A1 PCT/EP2023/062673 EP2023062673W WO2023217996A1 WO 2023217996 A1 WO2023217996 A1 WO 2023217996A1 EP 2023062673 W EP2023062673 W EP 2023062673W WO 2023217996 A1 WO2023217996 A1 WO 2023217996A1
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cryogenic
heat transfer
valve
transfer fluid
cryogenic fluid
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PCT/EP2023/062673
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Frederic Greber
Original Assignee
Faurecia Systemes D'echappement
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    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • TITLE Cryogenic valve and assembly comprising such a valve
  • the present invention generally relates to cryogenic valves.
  • Such a cryogenic valve is typically installed on the outlet conduit of a cryogenic fluid storage unit.
  • This storage unit can be a tank of liquid hydrogen, intended to supply a fuel cell.
  • the cryogenic valve is interposed between the storage unit and a heat exchanger.
  • the liquid hydrogen is heated in the heat exchanger to a temperature compatible with the operation of the fuel cell.
  • the storage unit generally includes an internal tank, and an external tank in which the internal tank is housed. Liquid hydrogen is stored inside the internal tank.
  • the intermediate space defined between the internal tank and the external tank is maintained under a high vacuum, so as to provide very effective thermal insulation.
  • cryogenic valve with a shutter member arranged on an intermediate portion of the hydrogen outlet conduit, housed in the intermediate space between the internal tank and the external tank.
  • the actuator in this case is located outside the external tank.
  • Such a cryogenic valve is technically complex and expensive to produce.
  • the invention aims to propose a cryogenic valve which is less expensive and above all easier to integrate.
  • the invention relates to a cryogenic valve, comprising:
  • valve body delimiting a cryogenic fluid inlet, a cryogenic fluid outlet and a cryogenic fluid passage fluidly connecting the cryogenic fluid inlet to the cryogenic fluid outlet;
  • valve body further delimiting a heat transfer fluid inlet, a heat transfer fluid outlet and a heat transfer fluid passage fluidly connecting the fluid inlet heat transfer fluid at the heat transfer fluid outlet, the heat transfer fluid passage extending around the cryogenic fluid passage.
  • Such a cryogenic valve can be placed outside the external tank. Indeed, because the heat transfer fluid passage extends around the cryogenic fluid passage, the surfaces of the valve body in contact with the cryogenic fluid are not directly exposed to the atmosphere surrounding the valve body.
  • cryogenic fluid In the case where the cryogenic fluid is hydrogen, it is liquid, at ambient pressure, at a temperature close to 20 K.
  • Liquid air can, under certain conditions, contain up to 50% oxygen by mass, and is therefore extremely oxidizing. It is imperative that the surfaces of the valve body in contact with the liquid hydrogen are not directly in contact with the ambient air.
  • Such a valve body is not excessively expensive to produce.
  • valve body can be placed outside, in the atmosphere surrounding the cryogenic gas storage unit, it is not necessary to move the actuator away from the valve body.
  • the structure of the valve is simplified and the valve is much less expensive than that of the state of the art.
  • the valve may also represent one or more of the characteristics below, considered individually or in any technically possible combination:
  • the heat transfer fluid outlet is annular and surrounds a downstream end portion of the cryogenic fluid passage
  • valve body comes from the foundry, in one piece, the valve body having surfaces in contact with the cryogenic fluid, said surfaces preferably being machined;
  • the valve body has at least one internal partition delimiting on one side the cryogenic fluid passage and on the other side the heat transfer fluid passage, the at least one internal partition having a thickness greater than 2 mm;
  • the actuator comprises a drive member, the kinematic chain comprising a rod having a distal end part carrying the shutter, a proximal end part linked to the drive member and an intermediate part engaged in a orifice provided in the at least one internal partition, the cryogenic valve comprising a bellows sealing device arranged around the distal end portion, a proximal end of the sealing bellows being sealingly bonded by welding to the drive member, a distal end of the sealing bellows being sealingly bonded by welding to at least one internal partition, around the orifice.
  • the invention relates to an assembly comprising a cryogenic valve having the above characteristics, and a heat exchanger having a cryogenic fluid circulation side and a heat transfer fluid circulation side, the circulation side of cryogenic fluid having a cryogenic fluid exchanger inlet, connected to the cryogenic fluid outlet of the cryogenic valve, the heat transfer fluid circulation side having a heat transfer fluid exchanger inlet, connected to the heat transfer fluid outlet of the cryogenic valve.
  • This set may also represent one or more of the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations:
  • the heat exchanger comprises an exchanger flange in which the cryogenic fluid exchanger inlet and the heat transfer fluid exchanger inlet are arranged, the heat transfer fluid exchanger inlet being annular and surrounding the heat exchanger cryogenic fluid exchanger inlet, the cryogenic valve and comprising a valve flange fixed to the exchanger flange in which the cryogenic fluid outlet and the heat transfer fluid outlet are provided;
  • valve flange and the exchanger flange are in contact with each other along a contact zone having a portion separating the cryogenic fluid exchanger inlet from the cryogenic fluid exchanger inlet heat transfer fluid and also separating the cryogenic fluid outlet from the heat transfer fluid outlet, one of the valve flange and the exchanger flange comprising a channel fluidly connecting said portion with the outside, the assembly further comprising :
  • cryogenic fluid circulation side comprises a single tube, made from material, having an upstream end welded to the exchanger flange;
  • the assembly comprises a cryogenic fluid storage unit with an internal reservoir internally delimiting a volume for receiving cryogenic fluid, an external reservoir in which the internal reservoir is housed, and a conduit fluidly connecting the cryogenic fluid inlet from the cryogenic valve to the receiving volume, the cryogenic valve being arranged outside the external tank.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of an assembly according to the invention, powering a fuel cell, the assembly comprising a liquid hydrogen storage unit, a cryogenic valve and a heat exchanger;
  • FIG. 2 is a sectional view of the valve of Figure 1, the flange of the heat exchanger also being shown;
  • FIG. 3 is a perspective view of the valve of Figure 2;
  • FIG. 4 is a perspective view of part of the heat exchanger of Figure 1.
  • the assembly 1, shown in Figure 1, is intended to power a fuel cell 3.
  • the assembly 1 and the fuel cell 3 are typically intended to be on board a vehicle having an electric propulsion motor, for example a motor vehicle, a train, a boat or any other vehicle.
  • the motor vehicle is for example a car, a utility vehicle, a truck, etc.
  • the fuel cell 3 is configured to produce electricity and power the electric propulsion motor.
  • the fuel cell 3 comprises an anode gas circuit 9 and a cell cooling circuit 11.
  • the fuel cell 3 also includes a cathode gas circuit, not shown.
  • the anode gas circuit 9 is supplied, by assembly 1, with dihydrogen, commonly called hydrogen.
  • the cathode gas circuit is supplied with oxidizing gas, this oxidizing gas typically being dioxygen contained in the air, commonly called air oxygen or oxygen.
  • the assembly 1 comprises a cryogenic fluid storage unit 12, with an internal reservoir 13 internally delimiting a volume 15 for receiving cryogenic fluid, and an external reservoir 17 in which the internal reservoir 13 is housed .
  • cryogenic fluid we mean a fluid at a very low temperature, which is at least partially in the liquid state inside the storage unit.
  • This fluid is typically hydrogen, preferably gaseous hydrogen.
  • the fluid is helium, nitrogen, a natural gas such as methane CH4 from the air, or any other suitable fluid.
  • An intermediate space 19 separates the internal reservoir 13 from the external reservoir 17.
  • Thermal insulation 21 is interposed between the internal tank 13 and the external tank 17.
  • the intermediate space 19 is maintained under a high vacuum, typically of the order of 10 -5 millibars, so as to strongly limit heat transfer by convection from the external tank 17 towards the internal tank 13.
  • the storage unit 12 is arranged to store liquid hydrogen.
  • Set 1 also includes a cryogenic valve 23 and a heat exchanger 25.
  • the cryogenic valve 23 is arranged outside the external tank 17.
  • cryogenic valve 23 includes:
  • valve body 27 delimiting a cryogenic fluid inlet 29, a cryogenic fluid outlet 31 and a cryogenic fluid passage 33 fluidly connecting the cryogenic fluid inlet 29 to the cryogenic fluid outlet 31;
  • the valve body 27 further delimits a heat transfer fluid inlet 43, visible in Figure 3, a heat transfer fluid outlet 45 and a heat transfer fluid passage 47 fluidly connecting the heat transfer fluid inlet 43 to the heat transfer fluid outlet 45.
  • the heat transfer fluid passage 47 extends around the cryogenic fluid passage 33.
  • the heat transfer fluid passage 47 extends over the entire periphery of the cryogenic fluid passage 33.
  • cryogenic fluid passage 33 is delimited by partitions 49 of the valve body 27.
  • partitions 49 are internal partitions.
  • the internal partitions 49 delimit on a first side the cryogenic fluid passage 33 and on a second side, opposite the first side, the heat transfer fluid passage 47.
  • the internal partitions 49 delimiting the cryogenic fluid passage 33 are never in contact with the external atmosphere.
  • the heat transfer fluid passage 47 extends practically over the entire length of the cryogenic fluid passage 33. More precisely, as illustrated in Figure 2, the heat transfer fluid passage 47 extends over the entire length of the cryogenic fluid passage 33 with the exception of the downstream end portion 51 of the cryogenic fluid passage 33.
  • upstream and downstream are understood relative to the direction of circulation of the fluid, here the cryogenic fluid.
  • the downstream end portion 51 of the cryogenic fluid passage 33 is engaged inside the heat exchanger 25, and its outer surface is not in contact with the external atmosphere.
  • the heat transfer fluid passage 47 extends along a portion of the cryogenic fluid passage 33 having a second developed length greater than at least 75% of the first developed length.
  • valve body 27 as visible in Figure 3, has a valve flange 53, provided for attachment to the heat exchanger 25.
  • the downstream end portion 51 of the cryogenic fluid passage 33 is located in the center of the valve flange 53, and protrudes relative to the valve flange 53.
  • the valve flange 53 has a flat bearing surface 54 designed to bear against a corresponding surface of the heat exchanger 25.
  • the downstream end portion 51 projects relative to the bearing surface 54. .
  • the heat transfer fluid outlet 45 is annular, and surrounds the downstream end portion 51.
  • Material bridges 55 connect the radially outer edge of the heat transfer fluid outlet 45 to the downstream end portion 51 of the cryogenic fluid passage 33. These material bridges 55 divide the heat transfer fluid outlet 45 into several annular sectors.
  • the cryogenic fluid passage 33 comprises a first rectilinear section 57 extending in a first direction first direction
  • the second section 59 extends from the first section 57 to the cryogenic fluid outlet 31.
  • the downstream end portion 51 constitutes one end of the second section 59.
  • the valve flange 53 is substantially perpendicular to the second direction Y.
  • the cryogenic fluid inlet 29 opens in a lower face 61 of the valve body 27.
  • This lower face 61 is substantially perpendicular to the first direction X. It is designed to be mounted in support against the external surface of the external tank 17.
  • the lower face 61 of the valve body 27 carries a circular rib 63 extending around the cryogenic fluid inlet 29.
  • the surface 65 of the lower face 61, surrounding the inlet 29, constitutes the seat of the cryogenic valve 23.
  • the shutter 37, in its closed position, rests against this surface 65.
  • the cryogenic valve 23 also includes a cover 67 attached to an upper face 69 of the valve body 27.
  • the upper face 69 delimits the valve body 27 opposite the lower face 61, in the first direction X.
  • the cover 67 internally delimits an internal volume 71 communicating with the passage of heat transfer fluid 33 through an opening 73 formed in the upper face 69 of the valve body 27.
  • Actuator 39 is mounted on cover 67.
  • the actuator 39 in the example shown, is of the pneumatic type.
  • It includes a drive member 75, movable in the first direction X.
  • This drive member 75 comprises a collar 77, substantially perpendicular to the first direction actuator 39.
  • the actuator 39 also includes an internal membrane 81, arranged inside the body 80 of the actuator 39, and capable of pressing on the lug 79 to move the shutter 37.
  • the kinematic chain 41 comprises a rod 83 having a distal end portion 85 carrying the obturator 37.
  • the rod 83 also includes a proximal end portion 87, linked to the drive member 75.
  • proximal end portion 87 is linked to the drive member 75 by a sleeve 88.
  • An intermediate part of the rod 83 is engaged in an orifice 89 formed in the internal partition 49 of the valve body 27.
  • the orifice 89 is a passage delimited by a cylindrical barrel 90 of the internal partition 49 of the valve body 27.
  • the orifice 89 has a section substantially matched to the section of the intermediate part of the rod 83, and guides the rod 83 in translation.
  • the rod 83 extends in the first direction X, and moves in this first direction X.
  • the support of the shutter 37 on its seat 65 limits the travel of the kinematic chain 41 which is mobile.
  • the collar 77 is offset away from the bottom of the cover 67, in the first direction X, towards the cryogenic fluid inlet 29.
  • the cryogenic valve 23 also includes a return spring 91, returning the shutter 37 towards its shutter position.
  • this return spring 91 is a helical compression spring, coaxial with the first direction internal 49, around the barrel 90.
  • the cryogenic valve 23 further comprises a sealing bellows 93 arranged around the distal end portion 87 of the rod 83.
  • a proximal end 95 of the sealing bellows 93 is sealed in a sealed manner by welding to the sealing member. drive 75.
  • a distal end 97 of the sealing bellows 93 is sealed by welding to the internal partition 49 of the valve body 27, around the orifice 89.
  • the proximal end 95 of the sealing bellows 93 is welded in a sealed manner to a washer 99, itself welded in a sealed manner to the flange 77 of the drive member 75 of the actuator 39.
  • the distal end 97 of the sealing bellows 93 is welded in a sealed manner to another washer 101, itself welded in a sealed manner to the internal partition 49 of the valve body 27.
  • the sealing bellows 93 and the return spring 91 are partly housed in the internal volume 71 of the cover 67.
  • the heat exchanger 25 comprises a cryogenic fluid circulation side 103 and a heat transfer fluid circulation side 105 (FIG. 4).
  • the cryogenic fluid circulation side 103 has a cryogenic fluid exchanger inlet 107, connected to the cryogenic fluid outlet 31 of the cryogenic valve 23.
  • the heat transfer fluid circulation side 105 has a heat transfer fluid exchanger inlet 109, connected to the heat transfer fluid outlet 45 of the cryogenic valve 23.
  • the heat exchanger 25 comprises an exchanger flange 111, in which the cryogenic fluid exchanger inlet 107 and the heat transfer fluid exchanger inlet 109 are provided.
  • the heat transfer fluid exchanger inlet 109 is annular and surrounds the cryogenic fluid exchanger inlet 107.
  • Material bridges 113 connect a radially outer edge of the heat transfer fluid exchanger inlet 109 to the outer surface of the cryogenic fluid exchanger inlet 107. These material bridges 1 13 divide the exchanger inlet of heat transfer fluid 109 in several annular sectors.
  • Valve flange 53 is fixed to exchanger flange 111.
  • valve 53 and exchanger 111 flanges are fixed to each other in a removable manner, by fixing members such as screws or tie rods, engaged in orifices of the valve 53 and exchanger 111 flanges. .
  • valve flange 53 and the exchanger flange 111 are in contact with one another along a contact zone 115.
  • the contact zone 115 has a portion 117 which separates the cryogenic fluid exchanger inlet 107 from the heat transfer fluid exchanger inlet 109, and which also separates the cryogenic fluid outlet 31 from the heat transfer fluid outlet 45.
  • the portion 117 corresponds to an area of the external surface of the end part 51, in contact with an area of the internal surface of the cryogenic fluid exchanger inlet 107.
  • the exchanger flange 111 has a channel 119 fluidly connecting the portion 117 to the exterior.
  • a first seal 121 is interposed between on the one hand the portion 117 and on the other hand the cryogenic fluid outlet 31 and the cryogenic fluid exchanger inlet 107.
  • the seal 121 isolates the portion 117 of the cryogenic fluid circulating from the cryogenic fluid outlet 31 to the cryogenic fluid exchanger inlet 107.
  • a second seal 123 is interposed between the portion 117 on the one hand and the heat transfer fluid outlet 45 and the heat transfer fluid exchanger inlet on the other.
  • the seal 123 isolates the portion 1 17 of the heat transfer fluid circulating from the heat transfer fluid outlet 45 to the heat transfer fluid exchanger inlet 109.
  • portion 117 carries a groove 125, arranged between seals 121 and 123.
  • Channel 1 19 opens into groove 125.
  • the contact zone 115 also carries a third seal 127, interposed between on the one hand the heat transfer fluid outlet 45 and the heat transfer fluid exchanger inlet 109 and on the other hand the external atmosphere.
  • the third seal 127 prevents leaks of heat transfer fluid to the outside.
  • the first and second seals 121, 123 prevent leaks from the cryogenic fluid circuit to the heat transfer fluid circuit.
  • the cryogenic fluid circulation side 103 comprises a single tube 129, made from material.
  • the tube 129 has an upstream end 131 welded in a sealed manner to the exchanger flange 11 1.
  • the cryogenic fluid exchanger inlet 107 opens into the tube 129 (figure 2).
  • Tube 129 is bent in an S shape in the example shown.
  • the heat transfer fluid circulation side 105 comprises an envelope 133, delimiting an internal volume in which the tube 129 is housed.
  • the heat transfer fluid circulates inside the envelope 133.
  • the exchanger flange 111 is rigidly fixed to the envelope 133.
  • the heat transfer fluid exchanger inlet 109 opens into the internal volume of the envelope 133.
  • valve body 27 comes from the foundry.
  • valve body 27 is in one piece. It is in one piece, the cryogenic fluid passage 33 and the heat transfer fluid passage 47 being obtained directly when the valve body 27 is obtained in the foundry.
  • the valve body 27 is made of 316L type stainless steel.
  • This metal has particularly suitable thermal characteristics. It has a thermal conductivity of between 2 and 4 W/m.K at 20 K. This makes it possible to have a significant temperature gradient at the level of the internal partitions 49, which separate the cryogenic fluid passage 33 from the heat transfer fluid passage 47.
  • each partition 49 has a thickness greater than 2 millimeters. Such a thickness also contributes to obtaining a significant temperature gradient between the cryogenic fluid passage 33 and the heat transfer fluid passage 47.
  • the thickness of the internal partition 49 is between 3 millimeters and 8 millimeters, depending on the location.
  • the flow rate of hydrogen through the cryogenic valve 23 is of the order of 7 g/s, the hydrogen being at 20 K.
  • the flow rate of heat transfer fluid is then 40 l/min.
  • the internal skin temperature that is to say the temperature at the internal partition 49 on the side of the cryogenic fluid passage 33, is between -100°C and -50°C.
  • the parts of the valve body 27 in contact with the heat transfer fluid are at temperatures which vary between -10°C and 5°C. This is compatible with the use of brine as a heat transfer fluid.
  • the surfaces of the valve body 27 in contact with the cryogenic fluid are machined to eliminate foundry residue. Indeed, the surfaces of a part coming from the foundry can carry detachable residues, but also pollutants such as oil or solvents.
  • the surfaces of the valve body 27 are machined in the sense that a thin layer of these surfaces is removed, by means of a machining tool, typically a milling machine. This machining is not intended to modify the shape of the valve body 27, this shape being obtained at the foundry stage.
  • the machined surfaces include port 89, and the internal surface of cryogenic fluid passage 33.
  • the lower face 61 of the valve body 27 is also machined, because it defines the seat 65 of the cryogenic valve 23. It is in contact with seals 137, carried by the shutter 37.
  • the upper face 69 of the valve body 27 is machined, because it is in contact with the seal 139 ensuring the seal between the cover 67 and the valve body 27.
  • the surface of the valve body 27 delimiting the contact zone 115 is also machined, because it carries the seals 121, 123 and 127.
  • Set 1 also includes a heat transfer fluid circuit 141 (figure 1).
  • the heat transfer fluid is typically water containing an antifreeze, typically glycol.
  • the heat transfer fluid circuit 141 as illustrated in Figure 1, comprises an expansion tank 143, having an expansion tank outlet 145 and an expansion tank inlet 147.
  • the cell cooling circuit 11 presents to it a cooling inlet 149 and a cooling outlet 151.
  • the expansion tank inlet 147 is fluidly connected to the cooling outlet 151.
  • the heat transfer fluid circuit 141 also comprises a heat transfer fluid circulation member 153 having a suction 155 fluidly connected to the outlet of the expansion tank 145, and a discharge 157 fluidly connected to the heat transfer fluid inlet 43 of the cryogenic valve 23.
  • the heat transfer fluid circulation member 153 is typically a pump, of any suitable type.
  • the heat transfer fluid circuit 141 also includes an orientation member 159 having an inlet 161 fluidly connected to a heat transfer fluid exchanger outlet 163 of the heat exchanger 25.
  • the orientation member 159 also includes a first outlet 165 fluidly connected to the expansion tank inlet 147. It also includes a second outlet 167 fluidly connected to the cooling inlet 149 of the battery cooling circuit 11.
  • the orientation member 159 is configured to fluidly connect the inlet 161 selectively to the first outlet 165 or to the second outlet 167.
  • the orientation member 159 is typically a 3-way valve.
  • the heat exchanger 25 has a cryogenic fluid exchanger outlet 169. This outlet corresponds to the downstream end of the tube 129.
  • the cryogenic gas exchanger outlet 169 is fluidly connected to an anode gas inlet 171 of the anode gas circuit 9 of the fuel cell 3.
  • This anode gas circuit 9 has an anodic gas outlet not shown.
  • a valve 173 is inserted between the cryogenic gas exchanger outlet 169 and the anode gas inlet 171.
  • a conduit 175 fluidly connects the cryogenic gas inlet 29 of the cryogenic valve 23 to the receiving volume 15 of the cryogenic gas storage unit 12.
  • the assembly 1 also includes a controller 177.
  • the controller 177 controls the cryogenic valve 23, the orientation member 159, the circulation member 153 and possibly the valve 173, depending on information received from the computer(s). s) on board the vehicle.
  • the controller 177 commands the cryogenic valve 23 to place the shutter 37 in its release position.
  • the actuator 39 via the membrane 81, pushes the drive member 75 in the first direction X towards the cryogenic gas inlet 29.
  • the drive member 75 in turn pushes the rod 83, which raises the shutter 37.
  • the return spring 91 and the sealing bellows 93 are compressed.
  • the cryogenic gas can then flow from the internal volume 15 of the cryogenic fluid storage unit 12 into the cryogenic gas passage 33, then to the cryogenic fluid circulation side 103 of the heat exchanger 25.
  • the cryogenic gas is at a temperature of approximately 20K in the storage unit
  • cryogenic fluid of cryogenic fluid. It is reheated to a temperature of approximately 0°C in the heat exchanger. The cryogenic gas then circulates to inlet 171 of the anode gas circuit of the fuel cell.
  • the controller 177 also keeps the circulation member 153 in operation, and commands the orientation member 159 to put the input 161 in communication with the second output 167.
  • the circulation member 153 therefore delivers the heat transfer fluid from the expansion tank 143 to the heat transfer fluid inlet 43 of the cryogenic valve 23.
  • the heat transfer fluid circulates along the heat transfer fluid passage 47 up to the heat transfer fluid outlet 45.
  • the heat transfer fluid fills in particular the internal volume 71 of the cover 67, maintaining the sealing bellows 93 at a moderate temperature.
  • the volume located inside the sealing bellows 93 is filled by the cryogenic fluid, through the orifice 89.
  • the circulation of cryogenic fluid between the interior of the sealing bellows 93 and the cryogenic fluid passage 33 is very small, due to the fact that the orifice 89 offers a very small passage section for the cryogenic fluid.
  • the sealing bellows 93 is therefore permanently at a temperature close to that of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid then circulates in the heat transfer fluid circulation side 105 of the heat exchanger 25, from the heat transfer fluid exchanger inlet 109 to the heat transfer fluid exchanger outlet 163. It circulates from from the heat transfer fluid exchanger outlet 163 to the orientation member 159, and is directed to the cooling inlet 149 of the cell cooling circuit 11. The heat transfer fluid is heated by passing through the cell fuel 3, then is directed from the cooling outlet 151 to the inlet of the expansion tank 143.
  • the assembly described above, in particular the cryogenic valve, has multiple advantages.
  • the heat transfer fluid outlet is annular and surrounds a downstream end portion of the cryogenic fluid passage, it is possible to conveniently connect the cryogenic valve to the heat exchanger, without risk of liquefaction of the air on contact of a surface at very low temperature.
  • valve body comes from the foundry, in one piece, the valve is extremely economical to produce.
  • the internal partitions of the cryogenic valve have a thickness greater than 2 millimeters ensures a high temperature gradient across internal partitions, and ensures that the heat transfer fluid does not freeze in the heat transfer fluid passage.
  • cryogenic valve comprises a sealing bellows arranged around the proximal end portion of the rod carrying the obturator, a proximal end of the bellows being sealed in a sealed manner by welding to the drive member of the The actuator, a distal end of the bellows being sealed in a sealed manner by welding to the at least one internal partition around the guide orifice of the rod, means that the cryogenic valve is particularly sealed in design on the side of the cryogenic fluid. Possible leak points are only at the welds between the bellows and the drive member, and at the welds between the bellows and the internal partition(s).
  • the flange connection between the exchanger and the cryogenic valve is particularly simple.
  • the first and second seals make it possible to isolate the cryogenic gas circuit from the heat transfer fluid circuit in a particularly effective manner. In the event of a leak, these leaks are collected by the channel provided for this purpose and led outside.
  • a hydrogen detector is connected to the channel.
  • cryogenic fluid circulation side of the heat exchanger comprises a single tube, made from material, having an upstream end welded to the exchanger flange, means that the number of welds on the cryogenic fluid side of the heat exchanger heat exchanger is minimum. The sources of leaks are drastically limited. Furthermore, this tube is capable of withstanding very high pressures. This type of exchanger, with a single tube, is particularly simple and economical.
  • cryogenic valve is placed outside the cryogenic fluid storage unit makes it possible to considerably simplify the design of the cryogenic valve. This is made possible by the fact that the valve body incorporates a passage for a heat transfer fluid which surrounds the cryogenic gas passage.
  • the assembly and the cryogenic valve described above can have multiple variations.
  • the actuator, the shutter and the kinematic chain can be of any suitable type, different from the example described above.
  • the actuator is not necessarily a pneumatic actuator but could be electric.
  • the stem could have come from material with the drive member, and not be linked to the drive member by means of a sleeve.
  • the cryogenic fluid passage may not have a downstream end portion projecting from the valve flange. This passage could stop flush with the bearing surface of the valve flange. Alternatively, the cryogenic fluid exchanger inlet could protrude from the exchanger flange and penetrate inside the cryogenic fluid outlet of the cryogenic valve.
  • the cryogenic fluid leak evacuation channel could be provided in the flange of the cryogenic valve, and not in the flange of the heat exchanger.
  • the assembly is not necessarily intended to power a fuel cell. It could power another type of equipment such as an internal combustion engine running on hydrogen as fuel, or in the field of chemistry for the production of products such as ammonia or fertilizer. It is also possible to power boilers to replace gas such as methane.
  • the cryogenic fluid is not necessarily hydrogen, but could be of any other type: helium, or even oxygen, air, nitrogen, etc.

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Abstract

La vanne cryogénique (23) comprend : - un corps de vanne (27) délimitant un passage de fluide cryogénique (33) raccordant fluidiquement une entrée de fluide cryogénique (29) à une sortie de fluide cryogénique (31 ); - un obturateur (37); - un actionneur (39); - une chaîne cinématique (41) par l'intermédiaire de laquelle l'actionneur (39) déplace l'obturateur (37) entre une position d'obturation du passage de fluide cryogénique (33) et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique (33); le corps de vanne (27) délimitant en outre un passage de fluide caloporteur (47) raccordant fluidiquement une entrée de fluide caloporteur (43) à une sortie de fluide caloporteur (45), le passage de fluide caloporteur (47) s'étendant autour du passage de fluide cryogénique (33).

Description

TITRE : Vanne cryogénique et ensemble comprenant une telle vanne
La présente invention concerne en général les vannes cryogéniques.
Une telle vanne cryogénique est typiquement implantée sur le conduit de sortie d’une unité de stockage de fluide cryogénique.
Cette unité de stockage peut être un réservoir d’hydrogène liquide, destiné à alimenter une pile à combustible. La vanne cryogénique est interposée entre l’unité de stockage et un échangeur de chaleur. L’hydrogène liquide est réchauffé dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température compatible avec le fonctionnement de la pile à combustible.
L’unité de stockage comprend généralement un réservoir interne, et un réservoir externe dans lequel est logé le réservoir interne. L’hydrogène liquide est stocké à l’intérieur du réservoir interne. L’espace intermédiaire délimité entre le réservoir interne et le réservoir externe est maintenu sous un vide poussé, de manière à procurer une isolation thermique très efficace.
Il est possible de concevoir la vanne cryogénique avec un organe d’obturation agencé sur une portion intermédiaire du conduit de sortie d’hydrogène, logée dans l’espace intermédiaire entre le réservoir interne et le réservoir externe. L’actionneur dans ce cas est situé à l’extérieur du réservoir externe.
Une telle vanne cryogénique est techniquement complexe, et coûteuse à produire.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une vanne cryogénique qui soit moins coûteuse et surtout plus facile à intégrer.
À cette fin, l’invention porte sur une vanne cryogénique, comprenant :
- un corps de vanne délimitant une entrée de fluide cryogénique, une sortie de fluide cryogénique et un passage de fluide cryogénique raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique à la sortie de fluide cryogénique;
- un obturateur;
- un actionneur;
- une chaîne cinématique par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur déplace l’obturateur entre une position d’obturation du passage de fluide cryogénique et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique; le corps de vanne délimitant en outre une entrée de fluide caloporteur, une sortie de fluide caloporteur et un passage de fluide caloporteur raccordant fluidiquement l’entrée de fluide caloporteur à la sortie de fluide caloporteur, le passage de fluide caloporteur s’étendant autour du passage de fluide cryogénique.
Une telle vanne cryogénique peut être placée à l’extérieur du réservoir externe. En effet, du fait que le passage de fluide caloporteur s’étend autour du passage de fluide cryogénique, les surfaces du corps de vanne en contact avec le fluide cryogénique ne sont pas directement exposées à l’atmosphère entourant le corps de vanne.
Le risque que l’air entourant le corps de vanne soit liquéfié est donc supprimé.
Dans le cas où le fluide cryogénique est de l’hydrogène, celui-ci est liquide, à pression ambiante, à une température proche de 20 K.
L’air se liquéfie à partir de -196° C, c’est-à-dire environ 77 K. L’air liquide peut contenir sous certaines conditions jusqu’à 50 % d’oxygène en masse, et est ainsi extrêmement oxydant. Il est impératif que les surfaces du corps de vanne en contact avec l’hydrogène liquide ne soient pas directement en contact avec l’air ambiant.
Ceci est obtenu dans l’invention par l’agencement dans le corps de vanne d’un passage de fluide caloporteur autour du passage de fluide cryogénique.
Un tel corps de vanne n’est pas excessivement coûteux à produire.
Par ailleurs, du fait que le corps de vanne peut être disposé à l’extérieur, dans l’atmosphère entourant l’unité de stockage de gaz cryogénique, il n’est pas nécessaire de déporter l’actionneur à distance du corps de vanne. En conséquence, la structure de la vanne est simplifiée et la vanne est beaucoup moins coûteuse que celle de l’état de la technique.
La vanne peut en outre représenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la sortie de fluide caloporteur est annulaire et entoure une partie d’extrémité avale du passage de fluide cryogénique ;
- le corps de vanne est venu de fonderie, d’une pièce, le corps de vanne présentant des surfaces en contact avec le fluide cryogénique, lesdites surfaces étant de préférence usinées ;
- le corps de vanne présente au moins une cloison interne délimitant d’un côté le passage de fluide cryogénique et d’un autre côté le passage de fluide caloporteur, l’au moins une cloison interne présentant une épaisseur supérieure à 2 mm ;
- l’actionneur comprend un organe d’entraînement, la chaîne cinématique comprenant une tige ayant une partie d’extrémité distale portant l’obturateur, une partie d’extrémité proximale liée à l’organe d’entraînement et une partie intermédiaire engagée dans un orifice ménagé dans l’au moins une cloison interne, la vanne cryogénique comprenant un soufflet d’étanchéité agencé autour de la partie d’extrémité distale, une extrémité proximale du soufflet d’étanchéité étant liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement, une extrémité distale du soufflet d’étanchéité étant liée de manière étanche par soudage à l’au moins une cloison interne, autour de l’orifice.
Selon un second aspect, l’invention porte sur un ensemble comprenant une vanne cryogénique ayant les caractéristiques ci-dessus, et un échangeur de chaleur ayant un côté de circulation de fluide cryogénique et un côté de circulation de fluide caloporteur, le côté de circulation de fluide cryogénique ayant une entrée d’échangeur de fluide cryogénique, raccordée à la sortie de fluide cryogénique de la vanne cryogénique, le côté de circulation de fluide caloporteur ayant une entrée d’échangeur de fluide caloporteur, raccordée à la sortie de fluide caloporteur de la vanne cryogénique.
Cet ensemble peut en outre représenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’échangeur de chaleur comporte une bride d’échangeur dans laquelle sont ménagés l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur, l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur étant annulaire et entourant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique, la vanne cryogénique et comportant une bride de vanne fixée à la bride d’échangeur dans laquelle sont ménagée la sortie de fluide cryogénique et la sortie de fluide caloporteur ;
- la bride de vanne et la bride d’échangeur sont en contact l’une avec l’autre le long d’une zone de contact ayant une portion séparant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur et séparant aussi la sortie de fluide cryogénique de la sortie de fluide caloporteur, l’une de la bride de vanne et de la bride d’échangeur comportant un canal raccordant fluidiquement ladite portion avec l’extérieur, l’ensemble comprenant en outre :
- un premier joint d’étanchéité interposé entre d’une part ladite portion et d’autre part la sortie de fluide cryogénique et l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique;
- un second joint d’étanchéité interposé entre d’une part ladite portion et d’autre part la sortie de fluide caloporteur et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur ;
- le côté de circulation de fluide cryogénique comporte un tube unique, venu de matière, présentant une extrémité amont soudée à la bride d’échangeur ;
- l’ensemble comporte une unité de stockage de fluide cryogénique avec un réservoir interne délimitant intérieurement un volume de réception de fluide cryogénique, un réservoir externe dans lequel est logé le réservoir interne, et un conduit raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique de la vanne cryogénique au volume de réception, la vanne cryogénique étant agencée hors du réservoir externe.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d’un ensemble conforme à l’invention, alimentant une pile à combustible, l’ensemble comprenant une unité de stockage d’hydrogène liquide, une vanne cryogénique et un échangeur de chaleur ;
- La figure 2 est une vue en coupe de la vanne de la figure 1 , la bride de l’échangeur de chaleur étant également représentée ;
- La figure 3 est une vue en perspective de la vanne de la figure 2 ;
- La figure 4 est une vue en perspective d’une partie de l’échangeur de chaleur de la figure 1.
L’ensemble 1 , représenté sur la figure 1 , est destiné à alimenter une pile à combustible 3.
L’ensemble 1 et la pile à combustible 3 sont typiquement prévus pour être embarqués à bord d’un véhicule ayant un moteur à propulsion électrique, par exemple un véhicule automobile, un train, un bateau ou tout autre véhicule. Le véhicule automobile est par exemple une voiture, un véhicule utilitaire, un camion, etc.
La pile à combustible 3 est configurée pour produire de l’électricité et alimenter le moteur à propulsion électrique.
La pile à combustible 3 comporte un circuit de gaz anodique 9 et un circuit de refroidissement de pile 1 1 . La pile à combustible 3 comporte encore un circuit de gaz cathodique, non représenté.
Le circuit de gaz anodique 9 est alimenté, par l’ensemble 1 , en dihydrogène, communément appelé hydrogène. Le circuit de gaz cathodique est alimenté en gaz oxydant, ce gaz oxydant étant typiquement le dioxygène contenu dans l’air, communément appelé oxygène de l’air ou oxygène.
Comme visible sur la figure 1 , l’ensemble 1 comprend une unité de stockage de fluide cryogénique 12, avec un réservoir interne 13 délimitant intérieurement un volume 15 de réception de fluide cryogénique, et un réservoir externe 17 dans lequel est logé le réservoir interne 13.
On entend par fluide cryogénique un fluide à une température très basse, qui se trouve au moins partiellement à l’état liquide à l’intérieur de l’unité de stockage. Ce fluide est typiquement de l’hydrogène, de préférence de l’hydrogène gazeux. En variante, le fluide est de l’hélium, de l’azote, un gaz naturel tel que le méthane CH4 de l’air, ou tout autre fluide adapté.
Un espace intermédiaire 19 sépare le réservoir interne 13 du réservoir externe 17.
Une isolation thermique 21 est interposée entre le réservoir interne 13 et le réservoir externe 17. L’espace intermédiaire 19 est maintenu sous un vide poussé, typiquement de l’ordre 10-5 millibars, de manière à limiter fortement le transfert thermique par convection depuis le réservoir externe 17 vers le réservoir interne 13.
L’unité de stockage 12 est agencé pour stocker de l’hydrogène liquide.
L’ensemble 1 comporte encore une vanne cryogénique 23 et un échangeur de chaleur 25.
La vanne cryogénique 23 est agencée hors du réservoir externe 17.
Comme visible sur la figure 2, la vanne cryogénique 23 comprend :
- un corps de vanne 27 délimitant une entrée de fluide cryogénique 29, une sortie de fluide cryogénique 31 et un passage de fluide cryogénique 33 raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique 29 à la sortie de fluide cryogénique 31 ;
- un obturateur 37 ;
- un actionneur 39 ;
- une chaîne cinématique 41 par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur 39 déplace l’obturateur 37 entre une position d’obturation du passage de fluide cryogénique 33 et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique 33.
Le corps de vanne 27 délimite encore une entrée de fluide caloporteur 43, visible sur la figure 3, une sortie de fluide caloporteur 45 et un passage de fluide caloporteur 47 raccordant fluidiquement l’entrée de fluide caloporteur 43 à la sortie de fluide caloporteur 45.
Le passage de fluide caloporteur 47 s’étend autour du passage de fluide cryogénique 33.
Plus précisément, le passage de fluide caloporteur 47 s’étend sur toute la périphérie du passage de fluide cryogénique 33.
En d’autres termes, le passage de fluide cryogénique 33 est délimité par des cloisons 49 du corps de vanne 27. Ces cloisons 49 sont des cloisons internes. Les cloisons internes 49 délimitent d’un premier côté le passage de fluide cryogénique 33 et d’un second côté, opposé au premier côté, le passage de fluide caloporteur 47. Les cloisons internes 49 délimitant le passage de fluide cryogénique 33 ne sont jamais en contact avec l’atmosphère extérieure.
Le passage de fluide caloporteur 47 s’étend pratiquement sur toute la longueur du passage de fluide cryogénique 33. Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, le passage de fluide caloporteur 47 s’étend sur toute la longueur du passage de fluide cryogénique 33 à l’exception de la partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33.
Dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sont entendus relativement au sens de circulation du fluide, ici du fluide cryogénique.
La partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33 est engagée à l’intérieur de l’échangeur de chaleur 25, et sa surface externe n’est pas en contact avec l’atmosphère extérieure.
Ainsi, si le passage de fluide cryogénique 33 présente une première longueur développée donnée, alors le passage de fluide caloporteur 47 s’étend le long d’une portion du passage de fluide cryogénique 33 présentant une seconde longueur développée supérieure à 75 % au moins de la première longueur développée.
Le corps de vanne 27, comme visible sur la figure 3, présente une bride de vanne 53, prévue pour la fixation à l’échangeur de chaleur 25.
La partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33 est située au centre de la bride de vanne 53, et fait saille par rapport à la bride de vanne 53.
La bride de vanne 53 présente une surface d’appui 54, plane, prévue pour venir en appui contre une surface correspondante de l’échangeur de chaleur 25. La partie d’extrémité avale 51 fait saillie par rapport à la surface d’appui 54.
La sortie de fluide caloporteur 45 est annulaire, et entoure la partie d’extrémité avale 51.
Des ponts de matière 55 raccordent le bord radialement externe de la sortie de fluide caloporteur 45 à la partie d’extrémité avale 51 du passage de fluide cryogénique 33. Ces ponts de matière 55 divisent la sortie de fluide caloporteur 45 en plusieurs secteurs annulaires.
Le passage de fluide cryogénique 33 comprend un premier tronçon rectiligne 57 s’étendant selon une première direction X à partir de l’entrée de fluide cryogénique 29, et un second tronçon rectiligne 59, s’étendant selon une seconde direction Y, perpendiculaire à la première direction X.
Le second tronçon 59 s’étend à partir du premier tronçon 57 jusqu’à la sortie de fluide cryogénique 31. La partie d’extrémité avale 51 constitue une extrémité du second tronçon 59.
La bride de vanne 53 est sensiblement perpendiculaire à la seconde direction Y.
L’entrée de fluide cryogénique 29 s’ouvre dans une face inférieure 61 du corps de vanne 27.
Cette face inférieure 61 est sensiblement perpendiculaire à la première direction X. Elle est prévue pour être montée en appui contre la surface externe du réservoir externe 17.
La face inférieure 61 du corps de vanne 27 porte une nervure circulaire 63 s’étendant autour de l’entrée de fluide cryogénique 29.
La surface 65 de la face inférieure 61 , entourant l’entrée 29, constitue le siège de la vanne cryogénique 23. L’obturateur 37, dans sa position d’obturation, est en appui contre cette surface 65.
La vanne cryogénique 23 comporte encore un capot 67 rapporté sur une face supérieure 69 du corps de vanne 27. La face supérieure 69 délimite le corps de vanne 27 à l’opposé de la face inférieure 61 , suivant la première direction X.
Le capot 67 délimite intérieurement un volume interne 71 communiquant avec le passage de fluide caloporteur 33 à travers une ouverture 73 ménagée dans la face supérieure 69 du corps de vanne 27.
L’actionneur 39 est monté sur le capot 67.
L’actionneur 39, dans l’exemple représenté, est de type pneumatique.
Il comporte un organe d’entrainement 75, déplaçable suivant la première direction X.
Cet organe d’entraînement 75 comporte une collerette 77, sensiblement perpendiculaire à la première direction X, logée à l’intérieur du capot 67. Il comporte également un ergot 79, traversant le fond du capot 67 et engagé dans le corps 80 de l’actionneur 39.
L’actionneur 39 comporte encore une membrane interne 81 , agencée à l’intérieur du corps 80 de l’actionneur 39, et susceptible de venir appuyer sur l’ergot 79 pour déplacer l’obturateur 37.
La chaîne cinématique 41 comprend une tige 83 ayant une partie d’extrémité distale 85 portant l’obturateur 37.
La tige 83 comporte également une partie d’extrémité proximale 87, liée à l’organe d’entraînement 75.
Dans l’exemple représenté, la partie d’extrémité proximale 87 est liée à l’organe d’entraînement 75 par un manchon 88.
Une partie intermédiaire de la tige 83 est engagée dans un orifice 89 ménagé dans la cloison interne 49 du corps de vanne 27. L’orifice 89 est un passage délimité par un fût 90 cylindrique de la cloison interne 49 du corps de vanne 27.
L’orifice 89 présente une section sensiblement conjuguée de la section de la partie intermédiaire de la tige 83, et guide la tige 83 en translation. La tige 83 s’étend suivant la première direction X, et se déplace suivant cette première direction X.
Comme expliqué plus haut, dans sa position d’obturation, l’obturateur 37 est en appui contre le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Dans sa position de dégagement, l’obturateur 37 est soulevé et n’est plus en appui contre le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Il est décalé vers l’extérieur du passage de fluide cryogénique 33, c’est-à-dire vers le bas de la figure 2.
Dans la position d’obturation, l’appui de l’obturateur 37 sur son siège 65 limite la course de la chaîne cinématique 41 qui est mobile. Dans la position de dégagement, la collerette 77 est décalée à distance du fond du capot 67, suivant la première direction X, vers l’entrée de fluide cryogénique 29.
La vanne cryogénique 23 comporte encore un ressort de rappel 91 , rappelant l’obturateur 37 vers sa position d’obturation.
Dans l’exemple représenté, ce ressort de rappel 91 est un ressort de compression hélicoïdal, coaxial à la première direction X. A une extrémité, il est en appui contre la collerette 77. A son extrémité opposée, il est en appui contre la cloison interne 49, autour du fût 90.
La vanne cryogénique 23 comporte encore un soufflet d’étanchéité 93 agencé autour de la partie d’extrémité distale 87 de la tige 83. Une extrémité proximale 95 du soufflet d’étanchéité 93 est liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement 75. Une extrémité distale 97 du soufflet d’étanchéité 93 est liée de manière étanche par soudage à la cloison interne 49 du corps de vanne 27, autour de l’orifice 89.
Plus précisément, l’extrémité proximale 95 du soufflet d’étanchéité 93 est soudée de manière étanche à une rondelle 99, elle-même soudée de manière étanche à la collerette 77 de l’organe d’entraînement 75 de l’actionneur 39.
L’extrémité distale 97 du soufflet d’étanchéité 93 est soudée de manière étanche à une autre rondelle 101 , elle-même soudée de manière étanche à la cloison interne 49 du corps de vanne 27.
Le soufflet d’étanchéité 93 et le ressort de rappel 91 sont en partie logés dans le volume interne 71 du capot 67.
L’échangeur de chaleur 25 comporte un coté de circulation de fluide cryogénique 103 et un coté de circulation de fluide caloporteur 105 (figure 4). Le coté de circulation de fluide cryogénique 103 présente une entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107, raccordée à la sortie de fluide cryogénique 31 de la vanne cryogénique 23. Le coté de circulation de fluide caloporteur 105 présente une entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109, raccordée à la sortie de fluide caloporteur 45 de la vanne cryogénique 23. Comme visible nettement sur la figure 4, l’échangeur de chaleur 25 comporte une bride d’échangeur 111 , dans laquelle sont ménagées l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.
L’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 est annulaire et entoure l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.
Des ponts de matière 113 raccordent un bord radialement externe de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 à la surface externe de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107. Ces ponts de matière 1 13 divisent l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 en plusieurs secteurs annulaires.
La bride de vanne 53 est fixée à la bride d’échangeur 111.
Les brides de vanne 53 et d’échangeur 111 sont fixées l’une à l’autre de manière amovible, par des organes de fixation tels que des vis ou des tirants, engagés dans des orifices des brides de vanne 53 et d’échangeur 111.
Les organes de fixation ne sont pas représentés sur les figures.
Quand les brides de vanne 53 et d’échangeur 111 sont fixées l’une à l’autre, la partie d’extrémité avale 51 est engagée à l’intérieur de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 (voir figure 2). La sortie de fluide caloporteur 45 est placée exactement en coïncidence avec l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.
Dans cette situation, la bride de vanne 53 et la bride d’échangeur 111 sont en contact l’une avec l’autre le long d’une zone de contact 1 15. La zone de contact 1 15 présente une portion 117 qui sépare l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109, et qui sépare également la sortie de fluide cryogénique 31 de la sortie de fluide caloporteur 45.
Dans l’exemple représenté, la portion 117 correspond à une zone de la surface externe de la partie d’extrémité 51 , en contact avec une zone de la surface interne de l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.
Par ailleurs, la bride d’échangeur 11 1 présente un canal 1 19 raccordant fluidiquement la portion 117 à l’extérieur.
Un premier joint d’étanchéité 121 est interposé entre d’une part la portion 117 et d’autre part la sortie de fluide cryogénique 31 et l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.
En d’autres termes, le joint 121 isole la portion 117 du fluide cryogénique circulant de la sortie de fluide cryogénique 31 vers l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107.
Un deuxième joint d’étanchéité 123 est interposé entre d’une part la portion 117 et d’autre par la sortie de fluide caloporteur 45 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur En d’autres termes, le joint d’étanchéité 123 isole la portion 1 17 du fluide caloporteur circulant de la sortie de fluide caloporteur 45 vers l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109.
Typiquement, la portion 117 porte une gorge 125, agencée entre les joints d’étanchéité 121 et 123. Le canal 1 19 débouche dans la gorge 125.
La zone de contact 115 porte encore un troisième joint 127, interposé entre d’une part la sortie de fluide caloporteur 45 et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 et d’autre part l’atmosphère extérieure.
Le troisième joint 127 empêche les fuites de fluide caloporteur vers l’extérieur. Les premier et deuxième joints 121 , 123 empêchent les fuites du circuit de fluide cryogénique vers le circuit de fluide caloporteur.
Dans l’échangeur de chaleur 25, le coté de circulation de fluide cryogénique 103 comporte un tube unique 129, venu de matière. Le tube 129 présente une extrémité amont 131 soudée de manière étanche à la bride d’échangeur 11 1. L’entrée d’échangeur de fluide cryogénique 107 débouche dans le tube 129 (figure 2). Le tube 129 est plié en S dans l’exemple représenté.
Le coté de circulation de fluide caloporteur 105 comporte une enveloppe 133, délimitant un volume interne dans lequel est logé le tube 129. Le fluide caloporteur circule à l’intérieur de l’enveloppe 133. La bride d’échangeur 111 est rigidement fixée à l’enveloppe 133. L’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 débouche dans le volume interne de l’enveloppe 133.
Avantageusement, le corps de vanne 27 est venu de fonderie.
En d’autres termes, le corps de vanne 27 est d’une pièce. Il est monobloc, le passage de fluide cryogénique 33 et le passage de fluide caloporteur 47 étant obtenus directement lors de l’obtention du corps de vanne 27 en fonderie.
Avantageusement, le corps de vanne 27 est en un acier inoxydable de type 316L. Ce métal présente des caractéristiques thermiques particulièrement adaptées. Il présente une conductivité thermique comprise entre 2 et 4 W/m.K à 20 K. Ceci permet d’avoir un gradient de température important au niveau des cloisons internes 49, qui séparent le passage de fluide cryogénique 33 du passage de fluide caloporteur 47.
Avantageusement, chaque cloison 49 présente une épaisseur supérieure à 2 millimètres. Une telle épaisseur contribue également à l’obtention d’un gradient de température important entre le passage de fluide cryogénique 33 et le passage de fluide caloporteur 47. Typiquement, l’épaisseur de la cloison interne 49 est comprise entre 3 millimètres et 8 millimètres, en fonction des endroits. Par exemple, dans le cas d’une pile à combustible 3 produisant 1 10 kW, le débit d’hydrogène à travers la vanne cryogénique 23 est de l’ordre de 7 g/s, l’hydrogène étant à 20 K. Le débit de fluide caloporteur est alors de 40 l/min. La température de peau interne, c’est-à-dire la température au niveau de la cloison interne 49 du côté du passage de fluide cryogénique 33, est comprise entre -100°C et -50°C. Les parties du corps de vanne 27 en contact avec le fluide caloporteur sont à des températures qui varient entre -10°C et 5°C. Ceci est compatible avec l’utilisation d’eau glycolée comme fluide caloporteur.
Les surfaces du corps de vanne 27 en contact avec le fluide cryogénique sont usinées, pour éliminer les résidus de fonderie. En effet, les surfaces d’une pièce venue de fonderie peuvent porter des résidus détachables, mais également des polluants tels que de l’huile ou des solvants.
Les surfaces du corps de vanne 27 sont usinées au sens où une fine couche de ces surfaces est retirée, au moyen d’un outil d’usinage, typiquement une fraiseuse. Cet usinage n’est pas prévu pour modifier la forme du corps de vanne 27, cette forme étant obtenue à l’étape de fonderie.
Les surfaces usinées comprennent l’orifice 89, et la surface interne du passage de fluide cryogénique 33.
La face inférieure 61 du corps de vanne 27 est également usinée, du fait qu’elle définit le siège 65 de la vanne cryogénique 23. Elle est en contact avec des joints d’étanchéité 137, portés par l’obturateur 37.
De même, la face supérieure 69 du corps de vanne 27 est usinée, du fait qu’elle est en contact avec le joint 139 assurant l’étanchéité entre le capot 67 et le corps de vanne 27.
La surface du corps de vanne 27 délimitant la zone de contact 1 15 est également usinée, du fait qu’elle porte les joints 121 , 123 et 127.
L’ensemble 1 comporte encore un circuit de fluide caloporteur 141 (figure 1 ).
Le fluide caloporteur est typiquement de l’eau comportant un antigel, typiquement du glycol.
Le circuit de fluide caloporteur 141 , comme illustré sur la figure 1 , comprend un vase d’expansion 143, ayant une sortie de vase d’expansion 145 et une entrée de vase d’expansion 147. Le circuit de refroidissement de pile 11 présente quant à lui une entrée de refroidissement 149 et une sortie de refroidissement 151 . L’entrée de vase d’expansion 147 est raccordée fluidiquement à la sortie de refroidissement 151 .
Le circuit de fluide caloporteur 141 comporte encore un organe de circulation de fluide caloporteur 153 ayant une aspiration 155 raccordé fluidiquement à la sortie de vase d’expansion 145, et un refoulement 157 raccordé fluidiquement à l’entrée de fluide caloporteur 43 de la vanne cryogénique 23. L’organe de circulation de fluide caloporteur 153 est typiquement une pompe, de tout type adapté.
Le circuit de fluide caloporteur 141 comporte également un organe d’orientation 159 ayant une entrée 161 raccordée fluidiquement à une sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163 de l’échangeur de chaleur 25. L’organe d’orientation 159 comporte encore une première sortie 165 raccordée fluidiquement à l’entrée de vase d’expansion 147. Il comporte également une seconde sortie 167 raccordée fluidiquement à l’entrée de refroidissement 149 du circuit de refroidissement de pile 1 1 .
L’organe d’orientation 159 est configuré pour raccorder fluidiquement l’entrée 161 sélectivement à la première sortie 165 ou à la seconde sortie 167.
L’organe d’orientation 159 est typiquement une vanne 3 voies.
Par ailleurs, l’échangeur de chaleur 25 présente une sortie d’échangeur de fluide cryogénique 169. Cette sortie correspond à l’extrémité avale du tube 129.
La sortie d’échangeur de gaz cryogénique 169 est raccordée fluidiquement à une entrée de gaz anodique 171 du circuit de gaz anodique 9 de la pile à combustible 3. Ce circuit de gaz anodique 9 présente une sortie de gaz anodique non représentée. Eventuellement, une vanne 173 est intercalée entre la sortie d’échangeur de gaz cryogénique 169 et l’entrée de gaz anodique 171.
Comme illustré sur la figure 1 , un conduit 175 raccorde fluidiquement l’entrée de gaz cryogénique 29 de la vanne cryogénique 23 au volume de réception 15 de l’unité de stockage 12 de gaz cryogénique.
L’ensemble 1 comporte encore un contrôleur 177. Le contrôleur 177 pilote la vanne cryogénique 23, l’organe d’orientation 159, l’organe de circulation 153 et éventuellement la vanne 173, en fonction d’information reçue du ou des calculateur(s) de bord du véhicule.
Le fonctionnement de l’ensemble 1 va maintenant être détaillé.
Quand la pile à combustible 3 est en fonctionnement, le contrôleur 177 commande à la vanne cryogénique 23 de placer l’obturateur 37 dans sa position de dégagement.
L’actionneur 39, par le biais de la membrane 81 , pousse l’organe d’entrainement 75 selon la première direction X vers l’entrée de gaz cryogénique 29. L’organe d’entrainement 75 pousse à son tour la tige 83, qui soulève l’obturateur 37. Le ressort de rappel 91 et le soufflet d’étanchéité 93 sont comprimés. Le gaz cryogénique peut alors s’écouler depuis le volume interne 15 de l’unité de stockage 12 de fluide cryogénique jusque dans le passage de gaz cryogénique 33, puis du coté de circulation de fluide cryogénique 103 de l’échangeur de chaleur 25.
Le gaz cryogénique est à une température de 20K environ dans l’unité de stockage
12 de fluide cryogénique. Il est réchauffé jusqu’à une température de 0°C environ dans l’échangeur de chaleur. Le gaz cryogénique circule ensuite jusqu’à l’entrée 171 du circuit de gaz anodique de la pile à combustible.
Le contrôleur 177 par ailleurs maintient l’organe de circulation 153 en fonctionnement, et commande à l’organe d’orientation 159 de mettre en communication l’entrée 161 avec la seconde sortie 167.
L’organe de circulation 153 refoule donc le fluide caloporteur à partir du vase d’expansion 143 jusqu’à l’entrée de fluide caloporteur 43 de la vanne cryogénique 23. Le fluide caloporteur circule le long du passage de fluide caloporteur 47 jusqu’à la sortie de fluide caloporteur 45.
Le fluide caloporteur remplit notamment le volume interne 71 du capot 67, maintenant le soufflet d’étanchéité 93 à une température modérée. Le volume situé à l’intérieur du soufflet d’étanchéité 93 est rempli par le fluide cryogénique, à travers l’orifice 89. Toutefois, la circulation de fluide cryogénique entre l’intérieur du soufflet d’étanchéité 93 et le passage de fluide cryogénique 33 est très réduite, du fait que l’orifice 89 offre une section de passage très faible au fluide cryogénique. Le soufflet d’étanchéité 93 est donc en permanence à une température proche de celle du fluide caloporteur.
Le fluide caloporteur circule ensuite dans le coté de circulation de fluide caloporteur 105 de l’échangeur de chaleur 25, depuis l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur 109 jusqu’à la sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163. Il circule à partir de la sortie d’échangeur de fluide caloporteur 163 jusqu’à l’organe d’orientation 159, et est dirigé jusqu’à l’entrée de refroidissement 149 de circuit de refroidissement de pile 11. Le fluide caloporteur est réchauffé en traversant la pile à combustible 3, puis est dirigé depuis la sortie de refroidissement 151 jusqu’à l’entrée du vase d’expansion 143.
L’ensemble décrit ci-dessus, notamment la vanne cryogénique, présente de multiples avantages.
Du fait que la sortie de fluide caloporteur est annulaire et entoure une partie d’extrémité avale du passage de fluide cryogénique, il est possible de raccorder commodément la vanne cryogénique à l’échangeur de chaleur, sans risque de liquéfaction de l’air au contact d’une surface à très basse température.
Du fait que le corps de vanne est venu de fonderie, d’une pièce, la vanne est extrêmement économique à produire.
Le fait que les surfaces en contact avec le fluide cryogénique soient usinées, permet d’obtenir un excellent état de surface, et de garantir la propreté de l’hydrogène.
Le fait que les cloisons internes de la vanne cryogénique présentent une épaisseur supérieure à 2 millimètres permet de garantir un gradient de température élevé à travers les cloisons internes, et permet de garantir que le fluide caloporteur ne gèle pas dans le passage de fluide caloporteur.
Le fait que la vanne cryogénique comprenne un soufflet d’étanchéité agencé autour de la partie d’extrémité proximale de la tige portant l’obturateur, une extrémité proximale du soufflet étant liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement de l’actionneur, une extrémité distale du soufflet étant liée de manière étanche par soudage à l’au moins une cloison interne autour de l’orifice de guidage de la tige, fait que la vanne cryogénique est particulière étanche de conception du côté du fluide cryogénique. Les points de fuite possibles sont seulement au niveau des soudures entre le soufflet et l’organe d’entraînement, et au niveau des soudures entre le soufflet et la ou les cloison(s) interne(s).
Le raccordement par bride entre l’échangeur et la vanne cryogénique est particulièrement simple.
Le fait d’avoir une sortie de fluide caloporteur entourant la sortie de fluide cryogénique coté vanne et une entrée de fluide caloporteur entourant l’entrée de fluide cryogénique coté échangeur de chaleur permet de garantir qu’il n’y a, en aucun point, un risque de liquéfaction de l’air au contact de surfaces baignées par le fluide cryogénique.
Les premier et deuxième joints d’étanchéité permettent d’isoler de manière particulièrement efficace le circuit de gaz cryogénique du circuit de fluide caloporteur. En cas de fuite, ces fuites sont collectées par le canal prévu à cet effet et conduites à l’extérieur. Eventuellement, un détecteur d’hydrogène est raccordé au canal.
Le fait que le coté de circulation de fluide cryogénique de l’échangeur de chaleur comporte un tube unique, venu de matière, présentant une extrémité amont soudée à la bride d’échangeur, fait que le nombre de soudures du côté fluide cryogénique de l’échangeur de chaleur est minimum. Les sources de fuite sont drastiquement limitées. Par ailleurs, ce tube est capable de résister à des pressions très importantes. Ce type d’échangeur, avec un tube unique, est particulièrement simple et économique.
Comme précisé plus haut, le fait que la vanne cryogénique soit placée à l’extérieur de l’unité de stockage de fluide cryogénique permet de simplifier considérablement la conception de la vanne cryogénique. Ceci est rendu possible par le fait que le corps de vanne incorpore un passage pour un fluide caloporteur qui entoure le passage de gaz cryogénique.
L’ensemble et la vanne cryogénique décrits ci-dessus peuvent présenter de multiples variantes.
L’actionneur, l’obturateur et la chaine cinématique peuvent être de tout type adapté, différent de l’exemple décrit plus haut. L’actionneur n’est pas nécessairement un actionneur pneumatique mais pourrait être électrique. La tige pourrait être venue de matière avec l’organe d’entraînement, et ne pas être liée à l’organe d’entraînement par le biais d’un manchon.
Le passage de fluide cryogénique pourrait ne pas comporter une partie d’extrémité avale en saillie par rapport à la bride de vanne. Ce passage pourrait s’arrêter de niveau avec la surface d’appui de la bride de vanne. Alternativement, l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique pourrait être en saillie par rapport à la bride d’échangeur et pénétrer à l’intérieur de la sortie de fluide cryogénique de la vanne cryogénique.
Le canal d’évacuation des fuites de fluide cryogénique pourrait être ménagé dans la bride de la vanne cryogénique, et non pas dans la bride de l’échangeur de chaleur. L’ensemble n’est pas nécessairement destiné à alimenter une pile à combustible. Il pourrait alimenter un autre type d’équipement comme un moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène comme carburant, ou encore dans le domaine de la chimie pour la production de produits tels que l’ammoniac ou de l’engrais. Il est également possible d’alimenter des chaudières pour remplacer le gaz tel que du méthane. Le fluide cryogénique n’est pas nécessairement de l’hydrogène, mais pourrait être de tout autre type : hélium, ou encore oxygène, air, azote, etc...

Claims

REVENDICATIONS
1. Vanne cryogénique (23), comprenant :
- un corps de vanne (27) délimitant une entrée de fluide cryogénique (29), une sortie de fluide cryogénique (31) et un passage de fluide cryogénique (33) raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique (29) à la sortie de fluide cryogénique (31) ;
- un obturateur (37) ;
- un actionneur (39) ;
- une chaîne cinématique (41) par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur (39) déplace l’obturateur (37) entre une position d’obturation du passage de fluide cryogénique (33) et une position de dégagement du passage de fluide cryogénique (33) ; le corps de vanne (27) délimitant en outre une entrée de fluide caloporteur (43), une sortie de fluide caloporteur (45) et un passage de fluide caloporteur (47) raccordant fluidiquement l’entrée de fluide caloporteur (43) à la sortie de fluide caloporteur (45), le passage de fluide caloporteur (47) s’étendant autour du passage de fluide cryogénique (33).
2. Vanne selon la revendication 1 , dans laquelle la sortie de fluide caloporteur (45) est annulaire et entoure une partie d’extrémité avale (51 ) du passage de fluide cryogénique (33).
3. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps de vanne (27) est venu de fonderie, d’une pièce, le corps de vanne (27) présentant des surfaces en contact avec le fluide cryogénique, lesdites surfaces étant de préférence usinées.
4. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps de vanne (27) présente au moins une cloison interne (49) délimitant d’un côté le passage de fluide cryogénique (33) et d’un autre côté le passage de fluide caloporteur (47).
5. Vanne selon la revendication 4, dans laquelle l’au moins une cloison interne (49) présente une épaisseur supérieure à 2 mm.
6. Vanne selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle l’actionneur (39) comprend un organe d’entraînement (75), la chaîne cinématique (41) comprenant une tige (83) ayant une partie d’extrémité distale (85) portant l’obturateur (37), une partie d’extrémité proximale (87) liée à l’organe d’entraînement (75) et une partie intermédiaire engagée dans un orifice (89) ménagé dans l’au moins une cloison interne (49), la vanne cryogénique (23) comprenant un soufflet d’étanchéité (93) agencé autour de la partie d’extrémité distale (87), une extrémité proximale (95) du soufflet d’étanchéité (93) étant liée de manière étanche par soudage à l’organe d’entraînement (75), une extrémité distale (97) du soufflet d’étanchéité (93) étant liée de manière étanche par soudage à l’au moins une cloison interne (49), autour de l’orifice (89).
7. Ensemble (1) comprenant :
- une vanne cryogénique (23) selon l’une quelconque des revendications précédentes ;
- un échangeur de chaleur (25) ayant un côté de circulation de fluide cryogénique (103) et un côté de circulation de fluide caloporteur (105), le côté de circulation de fluide cryogénique (103) ayant une entrée d’échangeur de fluide cryogénique (107), raccordée à la sortie de fluide cryogénique (31) de la vanne cryogénique (23), le côté de circulation de fluide caloporteur (105) ayant une entrée d’échangeur de fluide caloporteur (109), raccordée à la sortie de fluide caloporteur (45) de la vanne cryogénique (23).
8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel l’échangeur de chaleur (25) comporte une bride d’échangeur (111) dans laquelle sont ménagés l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique (107) et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur (109), l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur (109) étant annulaire et entourant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique (107), la vanne cryogénique (23) étant selon la revendication 2 et comportant une bride de vanne (53) fixée à la bride d’échangeur (111 ) dans laquelle sont ménagée la sortie de fluide cryogénique (31) et la sortie de fluide caloporteur (45).
9. Ensemble selon la revendication 8, dans lequel la bride de vanne (53) et la bride d’échangeur (111 ) sont en contact l’une avec l’autre le long d’une zone de contact (115) ayant une portion (117) séparant l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique (107) de l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur (109) et séparant aussi la sortie de fluide cryogénique (31 ) de la sortie de fluide caloporteur (45), l’une de la bride de vanne (53) et de la bride d’échangeur (111) comportant un canal (119) raccordant fluidiquement ladite portion (117) avec l’extérieur, l’ensemble (1) comprenant en outre :
- un premier joint d’étanchéité (121) interposé entre d’une part ladite portion (117) et d’autre part la sortie de fluide cryogénique (31 ) et l’entrée d’échangeur de fluide cryogénique (107) ;
- un second joint d’étanchéité (123) interposé entre d’une part ladite portion (117) et d’autre part la sortie de fluide caloporteur (45) et l’entrée d’échangeur de fluide caloporteur (109).
10. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 8 à 9, dans lequel le côté de circulation de fluide cryogénique (103) comporte un tube unique (129), venu de matière, présentant une extrémité amont (131) soudée à la bride d’échangeur (111).
11. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel l’ensemble comporte une unité de stockage de fluide cryogénique (12) avec un réservoir interne (13) délimitant intérieurement un volume (15) de réception de fluide cryogénique, un réservoir externe (17) dans lequel est logé le réservoir interne (13), et un conduit (175) raccordant fluidiquement l’entrée de fluide cryogénique (29) de la vanne cryogénique (23) au volume de réception (15), la vanne cryogénique (23) étant agencée hors du réservoir externe (17).
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