WO2024008879A1 - Unité de stockage de fluide cryogénique - Google Patents

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WO2024008879A1
WO2024008879A1 PCT/EP2023/068741 EP2023068741W WO2024008879A1 WO 2024008879 A1 WO2024008879 A1 WO 2024008879A1 EP 2023068741 W EP2023068741 W EP 2023068741W WO 2024008879 A1 WO2024008879 A1 WO 2024008879A1
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edge
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Frederic Greber
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Faurecia Systemes D'echappement
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Definitions

  • the present invention generally relates to a cryogenic fluid storage unit.
  • Such a storage unit typically comprises an internal tank internally delimiting a storage volume of the cryogenic fluid, an external tank inside which the internal tank is housed, and a suspension fixing the internal tank to the external tank.
  • the suspension can include two connections, each having:
  • an external tube having an external proximal end fixed to the internal reservoir, and an external distal end located inside the storage volume;
  • an internal tube extending inside the external tube, the internal tube having an internal proximal end fixed to the external reservoir, and an internal distal end fixed to the bottom plate.
  • the bottom plate may include a central stud, engaged in the internal proximal end.
  • the internal distal end is welded to a shoulder of the central stud.
  • the space defined between the internal tank and the external tank is maintained under a high vacuum.
  • Transfers by radiation are limited by arranging a layer of insulating material on the internal reservoir.
  • Heat transfers by conduction from the external tank to the internal tank mainly pass through the suspension, in particular through the internal tube. They are relatively high with the arrangement described above.
  • the invention aims to propose a storage unit whose suspension is designed to minimize the heat flow circulating by conduction from the external tank to the internal tank.
  • the invention relates to a cryogenic fluid storage unit, the storage unit comprising an internal tank internally delimiting a cryogenic fluid storage volume, an external tank inside which the internal tank is housed, and a suspension fixing the internal tank to the external tank, the suspension comprising a connection comprising: - an external tube, having an external proximal end fixed to the internal reservoir and an external distal end located inside the storage volume;
  • an internal tube extending inside the external tube, the internal tube having an internal proximal end fixed to the external reservoir and an internal distal end fixed to the bottom plate; the bottom plate having a large internal face facing the interior of the external tube and carrying a rib with a closed contour having a central axis delimited by a slice, the internal distal end being fixed to said slice.
  • the internal distal end and the rib are arranged end to end, the contact zone between the internal distal end and the rib consequently being of very small section. This section is much smaller than when the internal distal end is welded to a shoulder provided on a central stud engaged in said end.
  • the cryogenic fluid storage unit may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations:
  • An edge of the inner distal end connected to the closed-contour rib has a wall of given thickness, the closed-contour rib having a rib thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10% .
  • the rib with a closed contour is delimited inwards by an internal surface connected to the large internal face by an arcuate surface of internal rib, for example having in section in planes containing the central axis a shape in the form of an arc of a circle or in portion of ellipse.
  • the rib with a closed contour is delimited towards the outside by an external surface connected to the large internal face by an arcuate surface of external rib, for example having in section in planes containing the central axis a shape in the form of an arc of a circle or in portion of ellipse.
  • the large internal face of the bottom plate has a raised peripheral edge delimited by a slice, the external distal end being fixed to said slice.
  • the closed contour rib has a height greater than that of the erect peripheral edge.
  • the outer distal end has a wall of given thickness, the erect peripheral edge having an edge thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10%.
  • the erect peripheral edge is delimited inwards by an internal surface connected to the large internal face by an arcuate surface of internal edge, for example having in section in planes containing the central axis an arc of a circle or portion shape of ellipse.
  • the inner edge arcuate surface and the outer rib arcuate surface are directly connected to each other.
  • the bottom plate comprising a flat wall, substantially perpendicular to the central axis, defining the large internal face and carrying the rib with a closed contour.
  • FIG. 1 is an axial section view of the cryogenic fluid storage unit
  • FIG. 2 is an enlarged axial sectional view of the suspension of one end of the internal tank of Figure 1;
  • FIG. 3 is an enlarged axial sectional view of the distal ends of the internal and external tubes and the bottom plate of the suspension of Figure 2;
  • FIG. 4 is a sectional view of a preferred alternative embodiment of the bottom plate
  • FIG. 5 is a schematic representation illustrating the stress level of the internal tube, for the bottom plate of Figure 3;
  • FIG. 6 is a schematic representation illustrating the stress level of the internal tube, for the bottom plate of Figure 4.
  • FIG. 7 is a schematic representation illustrating the level of stresses in the bottom plate of Figure 3 (top) and in the bottom plate of Figure 4 (bottom), for loading along the central axis ( on the left) and in a direction perpendicular to the central axis (on the right).
  • the storage unit 1 shown in Figure 1 is intended to store a cryogenic fluid.
  • 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.
  • the fluid is helium, nitrogen, a natural gas such as methane CH4, air, or any other suitable fluid.
  • This storage unit is 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 storage unit 1 is typically intended to power a fuel cell.
  • the fuel cell is configured to generate electricity and power the vehicle's electric propulsion motor.
  • the cryogenic fluid storage unit 1 comprises an internal tank 3 internally delimiting a cryogenic fluid storage volume 5, an external tank 7 inside which the internal tank 3 is housed, and a suspension 9 fixing the internal tank 3 to the external tank 7.
  • the internal tank 3 has a horizontal central axis C.
  • the internal reservoir 3 comprises a shell 11, closed at its two axial ends by bases 13.
  • the ferrule 11 is cylindrical, centered on the central axis C.
  • the external tank 7 also has a horizontal axis.
  • the ferrule 15 is cylindrical, centered on the central axis C.
  • the internal tank 3 and the external tank 7 define between them an intermediate space 19, maintained under a high vacuum.
  • This vacuum is typically of the order of 10 5 millibars, so as to strongly limit heat transfer by convection from the external tank 7 to the internal tank 3.
  • Thermal insulation 21 is interposed between the internal tank 3 and the external tank 7.
  • the thermal insulation 21 is typically placed on the external surface of the internal tank 3.
  • the thermal insulation 21 comprises for example a plurality of metal sheets superimposed on each other on the others, with interposition of layers of fibers.
  • the suspension 9 is arranged in such a way that the entire weight of the internal tank 3 is taken up by the external tank 7 via the suspension 9.
  • the weight of the internal tank 3 is understood here to include the weight of the cryogenic fluid stored in the internal tank 3.
  • the accelerations experienced by the internal tank 3 and the cryogenic fluid contained in the internal tank 3 are also transmitted to the external tank 7 via the suspension 9.
  • these accelerations result from changes in direction of the vehicle, braking applied to the vehicle or acceleration of the vehicle, as well as roughness or irregularities in the road, or even shocks. applied to the vehicle.
  • the suspension comprises two connections 23.
  • the connections 23 each suspend one of the two opposite axial ends of the internal reservoir 3 to the external reservoir 7. These connections 23 are identical. Only one of these connections 23 will be described below.
  • connection 23 comprises:
  • an external tube 25 having an external proximal end 27 fixed to the internal reservoir 3 and an external distal end 29 located inside the storage volume 5;
  • connection 23 comprises an internal ring 35 directly fixed to the internal surface of the internal reservoir 3.
  • the internal ring 35 is fixed to the bottom 13.
  • the internal ring 35 is annular.
  • the internal ring 35 comprises an annular base 37, delimiting a front face 39.
  • the front face 39 is annular and extends in a plane perpendicular to the central axis C.
  • the annular base 37 is extended axially by a cylindrical neck 41, opposite the front face 39.
  • the annular base 37 and the neck 41 internally delimit a cylindrical passage 43, coaxial with the central axis C.
  • the annular base 37 and the neck 41 are externally connected to each other by a fillet 45, in the form of a torus portion.
  • a slice 44 connects the front face 39 to the fillet 45.
  • the annular base 37 is engaged in an orifice provided in the bottom 13 of the internal reservoir 3.
  • the internal reservoir 3 is fixed to the edge 44 of the annular base 37.
  • the external tube 25 is substantially cylindrical, and is coaxial with the central axis C.
  • the external proximal end 27 of the external tube 25 extends axially the neck 41. It has a thickness substantially identical to that of the neck 41.
  • the external tube 25 has a wall of substantially constant thickness over its entire axial length.
  • the bottom plate 31 has a large internal face 46 facing the inside of the external tube 25.
  • the large internal face 46 carries a raised peripheral edge 47, delimited by a edge 48.
  • the external distal end 29 is fixed to said edge 48, typically directly fixed to the edge 48.
  • the erect peripheral edge 47 extends over the entire circumference of the large internal face 46. It has a closed contour.
  • the erect peripheral edge 47 extends from the large internal face 46 axially towards the external tube 25. It is placed axially in the extension of the external distal end 29. It is fixed in a sealed manner, for example by welding, at the external distal end 29.
  • the edge 48 corresponds to the surface constituting the top of the erect peripheral edge 47. It is substantially annular, and extends in a plane perpendicular to the central axis C. It delimits the erect peripheral edge 47 opposite the large internal face 46.
  • the external distal end 29 is in contact only with the edge 48. It is not in contact with the radially internal and external surfaces of the erect peripheral edge 47.
  • the external distal end 29 has a wall of given thickness.
  • the erect peripheral edge 47 has an edge thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10%.
  • the erect peripheral edge 47 has substantially the same thickness as the external distal end 29.
  • a thermal insulation layer 49 is placed inside the outer tube 25, against the inner surface of the outer tube 25. This thermal insulation layer 49 extends over the entire length of the outer tube 25, crosses the passage 43 and extends beyond the front face 39.
  • the internal tube 33 is placed inside the thermal insulation layer 49, and is separated from it by a void 50.
  • the large internal face 46 carries a rib with a closed contour 51 delimited by a edge 52.
  • the closed contour rib 51 is cylindrical, and has a central axis.
  • This central axis coincides with the central axis C.
  • the internal tube 33 has an internal proximal end 59 attached to the external reservoir 7 and an internal distal end 61 attached to the bottom plate 31.
  • the internal distal end 61 is fixed to the edge 52 of the closed contour rib 51, typically directly fixed to the edge 52.
  • the internal tube 33 has a central section 63 connecting the internal proximal end 59 to the internal distal end 61.
  • the suspension 9 comprises a fixing ring 65 fixed to the external reservoir 7, the internal proximal end 59 of the internal tube 33 being directly fixed to the fixing ring 65.
  • the fixing ring 65 is fixed to a cup 67, itself fixed to the internal surface of the external tank 7 (figure 1).
  • the cup 67 is placed axially opposite the bottom 13 of the internal reservoir 3. It has a central part 69 extended by a raised edge 71, rigidly fixed to the ferrule 15 of the external reservoir 7.
  • the fixing ring 65 is similar to the internal ring 35. It thus includes an annular base 73, defining a front face 75.
  • the front face 75 extends in a plane perpendicular to the central axis C. It has an annular shape.
  • the annular base 73 is extended axially opposite the front face 75 by a neck 77.
  • the neck 77 is substantially cylindrical, centered on the axis C.
  • the annular base 73 and the neck 77 internally delimit a substantially cylindrical passage 79 , centered on axis C.
  • the annular base 73 and the neck 77 are connected externally to each other by a fillet 81, in the form of a torus portion.
  • a slice 82 connects the front face 75 to the fillet 81.
  • the annular base 73 is engaged in an orifice provided in the cup 67.
  • the cup 67 is fixed to the edge 82 of the annular base 73.
  • the internal tube 33 is substantially rectilinear and cylindrical. It is centered on the central axis C.
  • the central section 63 has a wall of given average thickness e.
  • the wall of the central section 63 has a substantially constant thickness over the entire length of the central section 63.
  • the internal distal end 61 has a thicker wall than that of the central section 63.
  • the internal distal end 61 comprises a first distal section 83 having a wall with a thickness greater than 150% of the given average thickness e.
  • the internal distal end 61 further comprises a second distal section 85 having a wall with a thickness greater than 250% of the given average thickness e.
  • the second distal section 85 is connected to the central section 63 by the first distal section 83.
  • the first distal section 83 has a thickness advantageously between 150% and 250% of the given average thickness e, more preferably between 175% and 225%, and worth for example 200% of the given average thickness e.
  • the second distal section 85 has a thickness of between 250% and 350% of the given average thickness e, preferably between 275% and 325% of the given average thickness e, and worth for example 300% of the thickness given average e.
  • the internal tube 33 comprises a main sleeve 87 and a first distal sleeve 89 arranged in or around the main sleeve 87.
  • the first distal sleeve 89 is arranged in the main sleeve 87.
  • the internal tube 33 further comprises a second distal sleeve 91 arranged in or around the first distal sleeve 89 and the main sleeve 87.
  • the second distal sleeve 91 is arranged in the first distal sleeve 89.
  • the main sleeve 87 extends over the entire length of the internal tube 33.
  • the first distal sleeve 89 extends along the first distal section 83 but not along the central section 63.
  • the first distal sleeve 89 also extends along the second distal section 85.
  • the second distal sleeve 91 extends along the second distal section 85, but not along the first distal section 89 nor along the central section 63.
  • the central section 63 consists only of the main sleeve 87.
  • the first distal section 83 has two thicknesses, and is formed from the superposition of the first distal sleeve 89 and the main sleeve 87.
  • the second distal section 85 has three thicknesses, and is formed from the superposition of the second distal sleeve 91, the first distal sleeve 89 and the main sleeve 87.
  • the main sleeve 87 and the first distal sleeve 89 are pressed against each other, without play.
  • the main sleeve 87 has a thickness of between 1 and 5 millimeters, preferably between 1 and 3 millimeters, and worth for example 1.5 millimeters.
  • the distal sleeves 89 and/or 91 advantageously have the same thickness as the main sleeve 87.
  • the rib with closed contour 51 extends from the large internal face 46 axially towards the internal tube 33. It is placed axially in the extension of the internal distal end 61. It is fixed in a sealed manner to the distal end internal 61.
  • the closed contour rib 51 is typically cylindrical, coaxial with the central axis C.
  • the edge 52 corresponds to the surface constituting the top of the rib with closed contour 51. It is substantially annular, and extends in a plane perpendicular to the central axis C. It delimits the rib with closed contour 51 on the opposite of the large internal face 46.
  • the internal distal end 61 is in contact only with the edge 52. It is not in contact with the radially internal and external surfaces of the closed contour rib 51.
  • An edge of the inner distal end 61 connected to the closed-contour rib 51 has a wall of given thickness, the closed-contour rib 51 having a rib thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10%.
  • This edge is defined by the second distal section 85.
  • the closed-contour rib 51 has substantially the same wall thickness as the internal distal end 61.
  • the internal distal end 61 has a given external section, the closed contour rib 51 having substantially the same external section.
  • the internal proximal end 59 is directly fixed to the ring 65.
  • the internal proximal end 59 has a thicker wall than that of the central section 63.
  • the internal proximal end 59 comprises a first proximal section 103 having a wall thickness greater than 150% of the given average thickness e.
  • it also comprises a second proximal section 105 having a wall thickness greater than 250% of the given average thickness e.
  • the second proximal section 105 is connected to the central section 63 by the first proximal section 103.
  • the second proximal section 105 is directly connected to the fixing ring 65. It preferably has a wall thickness substantially equal to the thickness of the neck 77.
  • the first proximal section 103 has a thickness advantageously between 150% and 250% of the given average thickness e, more preferably between 175% and 225%, and worth for example 200% of the given average thickness e.
  • the second proximal section 105 has a thickness of between 250% and 350% of the given average thickness e, preferably between 275% and 325% of the given average thickness e, and worth for example 300% of the thickness given average e.
  • the internal tube 33 advantageously comprises a first proximal sleeve 107 arranged in or around the main sleeve 87.
  • the first proximal sleeve 107 in the example shown, is arranged in the main sleeve 87.
  • the first proximal sleeve 107 extends along the first proximal section 103 but not along the central section 63.
  • the internal tube 33 further comprises a second proximal sleeve 109 arranged in or around the first proximal sleeve 107 and the main sleeve 87.
  • the second proximal sleeve 109 is arranged in the first proximal sleeve 107.
  • the first proximal sleeve 107 extends along the second proximal section 105.
  • the second proximal sleeve 109 extends along the second proximal section 105, but not along the first proximal section 103 nor along the central section 63.
  • the first proximal section 103 has two thicknesses, and is formed from the superposition of the first proximal sleeve 107 and the main sleeve 87.
  • the second proximal section 105 has three thicknesses, and is formed from the superposition of the main sleeve 87, the first proximal sleeve 107 and the second proximal sleeve 109.
  • the main sleeve 87 and the first proximal sleeve 103 are pressed against each other, without play.
  • the second proximal sleeve 109 and the first proximal sleeve 107 are pressed against each other without play.
  • the bottom plate 31 comprises a flat wall 110, substantially perpendicular to the central axis C and defining the large internal face 46.
  • the flat wall 110 carries the rib with a closed contour 51.
  • the flat wall 110 also carries the erect peripheral edge 47.
  • the flat wall 110 has a portion of constant thickness 1 11, delimited by the closed contour rib 51. This thickness is between 6 and 2 mm, preferably between 5 and 4 mm and ideally equal to 4.5 mm.
  • the rib with closed contour 51 is delimited towards the inside by an internal surface 112 connected to the large internal face 46 by an arcuate surface of internal rib 1 13.
  • the internal surface 112 is the radially internal surface of the closed contour rib 51 relative to the central axis C.
  • the arcuate surface of internal rib 1 13, in section in planes containing the central axis C, preferably has sections in the shape of an ellipse (figure 4) or alternatively has sections in the form of an arc of a circle (figures 2 and 3 ).
  • the radius of curvature of the section gradually increases when said section is followed from the internal surface 112 to the large internal face 46.
  • the arcuate surface of internal rib 113 does not connect tangentially to the large internal face 46.
  • the arcuate surface of internal rib 113 is a fillet. Considered in section in a radial plane containing the central axis C, it has a quarter-circle shape, connecting tangentially to the internal surface 112 and to the large internal face 46.
  • the rib with closed contour 51 is delimited towards the outside by an external surface 115 connected to the large internal face 46 by an arcuate surface of external rib 117.
  • the external surface 115 is the radially internal surface of the closed contour rib 51 relative to the central axis C.
  • the arcuate surface of external rib 1 17, in section in planes containing the central axis C, preferably has sections in the form of an ellipse portion ( Figure 4) or alternatively presents sections in the form of an arc of a circle ( Figures 2 and 3 ).
  • the radius of curvature of the section gradually increases when said section is followed from the external surface 115 to the large internal face 46.
  • the arcuate surface of the external rib 117 does not connect tangentially to the large internal face 46.
  • the arcuate surface of external rib 1 17 is a fillet. Considered in section in a radial plane containing the central axis C, it has a quarter-circle shape, connecting tangentially to the external surface 1 15 and to the large internal face 46.
  • the rib with closed contour 51 is connected to the large internal face 46 by a solid, annular part, of section increasing axially from the rib 51 towards the large internal face 46.
  • the erect peripheral edge 47 is delimited inwardly by an internal surface 119 connected to the large internal face 46 by an arcuate internal edge surface 121.
  • the internal surface 1 19 is the radially internal surface of the erect peripheral edge 47 relative to the central axis C.
  • the arcuate inner edge surface 121 is a fillet. Considered in section in a radial plane containing the central axis C, it has a quarter-circle shape, connecting tangentially to the internal surface 119 and to the large internal face 46.
  • the arcuate inner edge surface 121 is a fillet.
  • the arcuate surface of external rib 1 17 has, in section in planes containing the central axis C, sections in ellipse portions.
  • the erect peripheral edge 47 is connected to the large internal face 46 by a solid, annular part, of section increasing axially from the erect peripheral edge 47 towards the large internal face 46.
  • the inner edge arcuate surface 121 and the outer rib arcuate surface 117 are directly connected to each other.
  • the arcuate surface of the internal rib 113 has sections substantially symmetrical to those of the arcuate surface of the external rib 117. This contributes to obtaining a good distribution of forces in the bottom plate 31.
  • the arcuate surface of the external rib 117 has sections in the form of an arc of a circle
  • the arcuate surface of the internal rib 113 also has sections in the form of an arc of a circle, of the same radius. If the arcuate surface of the external rib 117 has sections in the form of an ellipse, the arcuate surface of the internal rib 113 also has sections in the form of an ellipse, with the same half minor axis.
  • the height of the closed contour rib 51 is greater than the height of the erect peripheral edge 47. This height is taken axially from the large internal face 46.
  • Figure 5 illustrates the mechanical stress levels in the internal tube 33, for the bottom plate 31 of Figures 2 and 3.
  • Zones of increasing mechanical stress are materialized and referenced from a to i.
  • the stress ranges, in MPa, corresponding to each zone are indicated in Figure 5. They vary between 40 and 200 MPa.
  • connection between the internal tube 33 and the bottom plate 31 is subject to very high stresses, due to the significant overhang between the internal proximal end 59 of the internal tube 33 and the bottom plate 31.
  • the overhang between the external proximal end 27 of the external tube 25, fixed to the internal reservoir 3, and the bottom plate 31 is very important, such that the stresses at the level of the fixing of the tube external 25 to the bottom plate 31 are elevated. It appears that, due to the progressive variation in thickness of the wall of the internal tube 33 at the level of the internal distal end 61, the mechanical stresses at this internal distal end 61 are well controlled and are at a satisfactory level .
  • the zone undergoing the maximum mechanical stresses is the portion of the central section 63 which adjoins the first distal section 83. In all cases, the stresses remain lower than the admissible limit, which here is 180 MPa.
  • the length of the inner tube is 560 millimeters and its diameter is 76 millimeters.
  • the thickness of the different sleeves is 1.5 millimeters.
  • the central section of the internal tube thus has a wall of 1.5 millimeters thickness, the first proximal section and the first distal section a wall thickness of 3 millimeters, the second proximal section and the second distal section a wall thickness of 4.5 millimeters.
  • the axial length of the first proximal sleeve and the first distal sleeve is 55 millimeters.
  • the axial length of the second proximal sleeve and the second distal sleeve is 40 millimeters.
  • the heat flux passing by conduction along the internal tube 33 is approximately 1 W/m 2 .K. This heat transfer by conduction is particularly low.
  • the complete heat transfer from the external reservoir to the internal reservoir is approximately 6.2 W, with approximately 1 W transmitted by each of the two links.
  • Figure 6 shows the mechanical stress levels in the internal tube 33, for the bottom plate 31 of Figure 4.
  • Zones of increasing mechanical stress are materialized and referenced from a to i.
  • the stress ranges, in MPa, corresponding to each zone are indicated in Figure 6. They vary between 40 and 200 MPa.
  • the maximum stress level is in the portion of the central section 63 which adjoins the first distal section 83.
  • the maximum is 171.8 MPa, and remains below the admissible limit, which here is 180 MPa.
  • Figure 7 on the right, illustrates the levels of mechanical stresses in the bottom plate 31, for a loading case corresponding to an acceleration of 5 g, perpendicular to the central axis C.
  • the illustration at the top corresponds to the variant embodiment of Figures 2 and 3, and the bottom illustration to the alternative embodiment of Figure 4.
  • Zones of increasing mechanical stress are materialized and referenced from a to i.
  • the stress ranges, in MPa, corresponding to each zone are indicated in Figure 7. They vary between 2.2 and 108.4 MPa.
  • the maximum is 108.4 MPa and remains acceptable.
  • the variant in Figure 4 allows the maximum to be lowered to 86.8 MPa.
  • Figure 7 on the left, illustrates the levels of mechanical stresses in the bottom plate 31, for a loading case corresponding to an acceleration of 6.6 g, along the central axis C.
  • the top illustration corresponds to the alternative embodiment of Figures 2 and 3, and the bottom illustration to the alternative embodiment of Figure 4.
  • Zones of increasing mechanical stress are materialized and referenced from a to i.
  • the stress ranges, in MPa, corresponding to each zone are indicated in Figure 7. They vary between 0 and 22.8 MPa.
  • the maximum is 22.8 MPa and remains acceptable.
  • the variant in Figure 4 allows the maximum to be lowered below 20.3 MPa.
  • the suspension architecture described above is particularly advantageous.
  • an edge of the internal distal end connected to the closed-contour rib has a wall of given thickness, the rib having a rib thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10 %, contributes to ensuring that the contact surface between the closed-contour rib and the internal distal end is very limited, and therefore heat transfer by conduction is reduced.
  • the large internal face of the bottom plate has a raised peripheral edge delimited by a slice, the external distal end being fixed to said slice, also contributes to limiting heat transfer by conduction.
  • the cryogenic fluid bathes the external surface of the external tube. The amount of heat radiated from the bottom plate into the outer tube is reduced because the contact area between the outer tube and the bottom plate is also reduced. This contact zone is limited to the edge of the erect peripheral edge.
  • the erect peripheral edge having an edge thickness between the given thickness minus 10% and the given thickness plus 10%, contributes to ensuring that the surface of contact between the erect peripheral edge and the external distal end is very limited, and therefore heat transfer by conduction is reduced.
  • the erect peripheral edge is delimited towards the inside by an internal surface connected to the large internal face by an arcuate surface of the internal edge, makes it possible to avoid stress concentrations at the level of the connection between the external distal end and the erect peripheral edge and in the erect peripheral edge.
  • the fact that the inner edge arcuate surface and the outer rib arcuate surface are directly connected to each other and together form a half-torus surface makes it possible to obtain large radii for the inner edge arcuate surface and the arcuate surface of outer rib, with enough space between the inner tube and the outer tube to accommodate the thermal insulation layer and the vacuum.
  • the storage unit can have multiple variations.
  • the internal tank and the external tank are not necessarily horizontal axes but could be vertical axes.
  • the internal proximal end and/or the internal distal end are not necessarily of the type described above, that is to say with an extra thickness of material compared to the central section.
  • the mass of the internal reservoir, the method of attachment to the external reservoir, the internal proximal end and/or the internal distal end could also be of the same thickness as the central section.
  • the inner edge arcuate surface, the inner rib arcuate surface and the outer rib arcuate surface may not have circular arc or ellipse portion sections. Alternatively, they have sections in oval portions or any other suitable shape.

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Abstract

Cette unité de stockage de fluide cryogénique comprend une suspension (9) fixant le réservoir interne (3) au réservoir externe (7). La suspension (9) comprend une liaison (23) comportant : - un tube externe (25), située à l'intérieur du réservoir interne (3); - une plaque de fond (31) fermant de manière étanche l'extrémité distale du tube externe (25); - un tube interne (33) s'étendant à l'intérieur du tube externe (25), le tube interne (33) ayant une extrémité distale interne (61) fixée à la plaque de fond (31); la plaque de fond (31) présentant une grande face interne (46) tournée vers l'intérieur du tube externe (25) et portant une nervure à contour fermé (51) ayant un axe central (C) délimitée par une tranche (52), l'extrémité distale interne (61) étant fixée à ladite tranche (52).

Description

TITRE : Unité de stockage de fluide cryogénique
La présente invention concerne en général une unité de stockage de fluide cryogénique.
Une telle unité de stockage comprend typiquement un réservoir interne délimitant intérieurement un volume de stockage du fluide cryogénique, un réservoir externe à l’intérieur duquel est logé le réservoir interne, et une suspension fixant le réservoir interne au réservoir externe.
La suspension peut comporter deux liaisons, chacune ayant :
- un tube externe ayant une extrémité proximale externe fixée au réservoir interne, et une extrémité distale externe située à l’intérieur du volume de stockage ;
- une plaque de fond fermant de manière étanche l’extrémité distale externe ;
- un tube interne s’étendant à l’intérieur du tube externe, le tube interne ayant une extrémité proximale interne fixée au réservoir externe, et une extrémité distale interne fixée à la plaque de fond.
La plaque de fond peut comporter un plot central, engagé dans l’extrémité proximale interne. L’extrémité distale interne est soudée sur un épaulement du plot central.
De manière à limiter les transferts thermiques par convection du réservoir externe au réservoir interne, l’espace délimité entre le réservoir interne et le réservoir externe est maintenu sous un vide poussé.
Les transferts par rayonnement sont limités en agençant une couche de matériau isolant sur le réservoir interne.
Les transferts thermiques par conduction depuis le réservoir externe jusqu’au réservoir interne passent principalement par la suspension, notamment par le tube interne. Ils sont relativement élevés avec l’agencement décrit ci-dessus.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une unité de stockage dont la suspension est conçue pour minimiser le flux thermique circulant par conduction du réservoir externe au réservoir interne.
A cette fin, l’invention porte sur une unité de stockage de fluide cryogénique, l’unité de stockage comprenant un réservoir interne délimitant intérieurement un volume de stockage du fluide cryogénique, un réservoir externe à l’intérieur duquel est logé le réservoir interne, et une suspension fixant le réservoir interne au réservoir externe, la suspension comprenant une liaison comportant : - un tube externe, ayant une extrémité proximale externe fixée au réservoir interne et une extrémité distale externe située à l’intérieur du volume de stockage;
- une plaque de fond fermant de manière étanche l’extrémité distale externe ;
- un tube interne s’étendant à l’intérieur du tube externe, le tube interne ayant une extrémité proximale interne fixée au réservoir externe et une extrémité distale interne fixée à la plaque de fond ; la plaque de fond présentant une grande face interne tournée vers l’intérieur du tube externe et portant une nervure à contour fermé ayant un axe central délimitée par une tranche, l’extrémité distale interne étant fixée à ladite tranche.
Du fait que l’extrémité distale interne est fixée à la tranche de la nervure, la transmission de chaleur du tube interne à la plaque de fond est très réduite.
L’extrémité distale interne et la nervure sont agencées bout à bout, la zone de contact entre l’extrémité distale interne et la nervure étant en conséquence de section très faible. Cette section est beaucoup plus faible que quand l’extrémité distale interne est soudée à un épaulement ménagé sur un plot central engagé dans ladite extrémité.
Ceci contribue à limiter les transferts thermiques du réservoir externe au réservoir interne.
L’unité de stockage de fluide cryogénique peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérée(s) individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Un bord de l’extrémité distale interne raccordé à la nervure à contour fermé a une paroi d’épaisseur donnée, la nervure à contour fermé ayant une épaisseur de nervure comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
La nervure à contour fermé est délimitée vers l’intérieur par une surface interne raccordée à la grande face interne par une surface arquée de nervure interne, par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
La nervure à contour fermé est délimitée vers l’extérieur par une surface externe raccordée à la grande face interne par une surface arquée de nervure externe, par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
La grande face interne de la plaque de fond porte un bord périphérique dressé délimité par une tranche, l’extrémité distale externe étant fixée à ladite tranche. La nervure à contour fermé présente une hauteur supérieure à celle du bord périphérique dressé.
L’extrémité distale externe a une paroi d’épaisseur donnée, le bord périphérique dressé ayant une épaisseur de bord comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
Le bord périphérique dressé est délimité vers l’intérieur par une surface interne raccordée à la grande face interne par une surface arquée de bord interne, par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
La surface arquée de bord interne et la surface arquée de nervure externe sont directement raccordées l’une à l’autre.
La plaque de fond comprenant une paroi plane, sensiblement perpendiculaire à l’axe central, définissant la grande face interne et portant la nervure à contour fermé.
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 vue en section axiale de l’unité de stockage de fluide cryogénique ;
- La figure 2 est une vue en section axiale, agrandie, de la suspension d’une extrémité du réservoir interne de la figure 1 ;
- La figure 3 est une vue en section axiale, agrandie, des extrémités distales des tubes interne et externe et de la plaque de fond de la suspension de la figure 2 ;
- La figure 4 est une vue en section d’une variante de réalisation préférée de la plaque de fond ;
- La figure 5 est une représentation schématique illustrant le niveau de contraintes du tube interne, pour la plaque de fond de la figure 3 ;
- La figure 6 est une représentation schématique illustrant le niveau de contraintes du tube interne, pour la plaque de fond de la figure 4 ; et
- La figure 7 est une représentation schématique illustrant le niveau de contraintes dans la plaque de fond de la figure 3 (en haut) et dans la plaque de fond de la figure 4 (en bas), pour un chargement selon l’axe central (à gauche) et selon une direction perpendiculaire à l’axe central (à droite).
L’unité de stockage 1 représenté sur la figure 1 est destiné à stocker un fluide cryogénique. 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. 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.
Cette unité de stockage est typiquement prévue pour être embarqué 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.
L’unité de stockage 1 est typiquement destiné à alimenter une pile à combustible. La pile à combustible est configurée pour produire de l’électricité et alimenter le moteur de propulsion électrique du véhicule.
L’unité de stockage de fluide cryogénique 1 comprend un réservoir interne 3 délimitant intérieurement un volume 5 de stockage de fluide cryogénique, un réservoir externe 7 à l’intérieur duquel est logé le réservoir interne 3, et une suspension 9 fixant le réservoir interne 3 au réservoir externe 7.
Dans l’exemple représenté, le réservoir interne 3 présente un axe central C horizontal.
Le réservoir interne 3 comporte une virole 11 , fermée à ses deux extrémités axiales par des fonds 13.
La virole 11 est cylindrique, centrée sur l’axe central C.
Le réservoir externe 7 est lui aussi d’axe horizontal.
Il comporte une virole 15, fermée à ses deux extrémités axiales par des fonds 17.
La virole 15 est cylindrique, centrée sur l’axe central C.
Le réservoir interne 3 et le réservoir externe 7 délimitent entre eux un espace intermédiaire 19, maintenu sous un vide poussé.
Ce vide est typiquement de l’ordre de 105 millibars, de manière à limiter fortement le transfert thermique par convection depuis le réservoir externe 7 vers le réservoir interne 3.
Une isolation thermique 21 est interposée entre le réservoir interne 3 et le réservoir externe 7. L’isolation thermique 21 est typiquement posée sur la surface externe du réservoir interne 3. L’isolation thermique 21 comporte par exemple une pluralité de feuilles métalliques superposées les unes sur les autres, avec interposition de couches de fibres.
La suspension 9 est agencée de telle sorte que la totalité du poids du réservoir interne 3 est repris par le réservoir externe 7 via la suspension 9. Le poids du réservoir interne 3 s’entend ici y compris le poids du fluide cryogénique stocké dans le réservoir interne 3.
Les accélérations subies par le réservoir interne 3 et le fluide cryogénique contenu dans le réservoir interne 3 sont également transmises au réservoir externe 7 via la suspension 9.
Quand l’unité de stockage 1 est embarquée dans un véhicule, ces accélérations résultent des changements de direction du véhicule, du freinage appliqué au véhicule ou de l’accélération du véhicule, ainsi que des aspérités ou irrégularités de la route, ou encore de chocs appliqués au véhicule.
Dans l’exemple représenté, la suspension comprend deux liaisons 23. Les liaisons 23 suspendent chacune l’une des deux extrémités axiales opposées du réservoir interne 3 au réservoir externe 7. Ces liaisons 23 sont identiques. Seule l’une de ces liaisons 23 sera décrite ci-dessous.
Comme visible sur la figure 2, la liaison 23 comporte :
- un tube externe 25, ayant une extrémité proximale externe 27 fixée au réservoir interne 3 et une extrémité distale externe 29 située à l’intérieur du volume de stockage 5 ;
- une plaque de fond 31 fermant de manière étanche l’extrémité distale externe 29 ;
- un tube interne 33 s’étendant à l’intérieur du tube externe 25.
La liaison 23 comporte une bague interne 35 directement fixée à la surface interne du réservoir interne 3.
La bague interne 35 est fixée au fond 13.
La bague interne 35 est annulaire. La bague interne 35 comporte une base annulaire 37, délimitant une face frontale 39.
La face frontale 39 est annulaire et s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe central C.
La base annulaire 37 est prolongée axialement par un col cylindrique 41 , à l’opposé de la face frontale 39.
La base annulaire 37 et le col 41 délimitent intérieurement un passage cylindrique 43, coaxial à l’axe central C.
La base annulaire 37 et le col 41 sont raccordés extérieurement l’un à l’autre par un congé 45, en forme de portion de tore.
Une tranche 44 raccorde la face frontale 39 au congé 45.
La base annulaire 37 est engagée dans un orifice ménagé dans le fond 13 du réservoir interne 3.
Le réservoir interne 3 est fixé à la tranche 44 de la base annulaire 37. Le tube externe 25 est sensiblement cylindrique, et est coaxial à l’axe central C.
Il est situé à l’intérieur du volume de stockage 5, typiquement entièrement à l’intérieur du volume 5.
L’extrémité proximale externe 27 du tube externe 25 prolonge axialement le col 41 . Elle présente une épaisseur sensiblement identique à celle du col 41 .
Le tube externe 25 présente une paroi d’épaisseur sensiblement constante sur toute sa longueur axiale.
La plaque de fond 31 présente une grande face interne 46 tournée vers l’intérieur du tube externe 25.
La grande face interne 46 porte un bord périphérique dressé 47, délimité par une tranche 48. L’extrémité distale externe 29 est fixée à ladite tranche 48, typiquement directement fixé à la tranche 48.
Le bord périphérique dressé 47 s’étend sur tout le pourtour de la grande face interne 46. Il est à contour fermé.
Le bord périphérique dressé 47 s’étend à partir de la grande face interne 46 axialement vers le tube externe 25. Il est placé axialement dans le prolongement de l’extrémité distale externe 29. Il est fixé de manière étanche, par exemple par soudage, à l’extrémité distale externe 29.
La tranche 48 correspond à la surface constituant le sommet du bord périphérique dressé 47. Elle est sensiblement annulaire, et s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. Elle délimite le bord périphérique dressé 47 à l’opposé de la grande face interne 46.
L’extrémité distale externe 29 est en contact seulement avec la tranche 48. Elle n’est pas en contact avec les surfaces radialement interne et externe du bord périphérique dressé 47.
L’extrémité distale externe 29 a une paroi d’épaisseur donnée. Le bord périphérique dressé 47 a une épaisseur de bord comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
En d’autres termes, le bord périphérique dressé 47 présente sensiblement la même épaisseur que l’extrémité distale externe 29.
Une couche d’isolation thermique 49 est placée à l’intérieur du tube externe 25, contre la surface intérieure du tube externe 25. Cette couche d’isolation thermique 49 s’étend sur toute la longueur du tube externe 25, traverse le passage 43 et s’étend au-delà de la face frontale 39. Le tube interne 33 est placé à l’intérieur de la couche d’isolation thermique 49, et est séparé de celle-ci par un vide 50.
La grande face interne 46 porte une nervure à contour fermé 51 délimitée par une tranche 52.
La nervure à contour fermé 51 est cylindrique, et présente un axe central.
Cet axe central est confondu avec l’axe central C.
Le tube interne 33 présente une extrémité proximale interne 59 fixée au réservoir externe 7 et une extrémité distale interne 61 fixée à la plaque de fond 31 .
L’extrémité distale interne 61 est fixée à la tranche 52 de la nervure à contour fermé 51 , typiquement directement fixée à la tranche 52.
Le tube interne 33 présente un tronçon central 63 raccordant l’extrémité proximale interne 59 à l’extrémité distale interne 61 .
La suspension 9 comprend une bague de fixation 65 fixée au réservoir externe 7, l’extrémité proximale interne 59 du tube interne 33 étant directement fixée à la bague de fixation 65.
Dans l’exemple représenté, la bague de fixation 65 est fixée à une coupelle 67, elle- même fixée à la surface interne du réservoir externe 7 (figure 1 ). La coupelle 67 est placée axialement en vis-à-vis du fond 13 du réservoir interne 3. Elle comporte une partie centrale 69 prolongée par un bord dressé 71 , rigidement fixé à la virole 15 du réservoir externe 7.
Dans l’exemple représenté, la bague de fixation 65 est similaire à la bague interne 35. Elle comporte ainsi une base annulaire 73, définissant une face frontale 75.
La face frontale 75 s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. Elle présente une forme annulaire.
La base annulaire 73 est prolongée axialement à l’opposé de la face frontale 75 par un col 77. Le col 77 est sensiblement cylindrique, centré sur l’axe C. La base annulaire 73 et le col 77 délimitent intérieurement un passage sensiblement cylindrique 79, centré sur l’axe C. La base annulaire 73 et le col 77 sont raccordés extérieurement l’un à l’autre par un congé 81 , en forme de portion de tore.
Une tranche 82 raccorde la face frontale 75 au congé 81 .
La base annulaire 73 est engagée dans un orifice ménagé dans la coupelle 67.
La coupelle 67 est fixée à la tranche 82 de la base annulaire 73.
Le tube interne 33 est sensiblement rectiligne et cylindrique. Il est centré sur l’axe central C.
Le tronçon central 63 a une paroi d’épaisseur moyenne e donnée. Typiquement, la paroi du tronçon central 63 présente une épaisseur sensiblement constante sur toute la longueur du tronçon central 63.
L’extrémité distale interne 61 présente une paroi plus épaisse que celle du tronçon central 63.
L’extrémité distale interne 61 comprend un premier tronçon distal 83 ayant une paroi d’épaisseur supérieure à 150% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Avantageusement, l’extrémité distale interne 61 comprend encore un second tronçon distal 85 présentant une paroi d’épaisseur supérieure à 250% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Le second tronçon distal 85 est raccordé au tronçon central 63 par le premier tronçon distal 83.
Le premier tronçon distal 83 présente une épaisseur avantageusement comprise entre 150% et 250% de l’épaisseur moyenne donnée e, encore de préférence comprise entre 175% et 225%, et valant par exemple 200% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Le second tronçon distal 85 présente une épaisseur comprise entre 250% et 350% de l’épaisseur moyenne donnée e, de préférence comprise entre 275% et 325% de l’épaisseur moyenne donnée e, et valant par exemple 300% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le tube interne 33 comprend un manchon principal 87 et un premier manchon distal 89 agencé dans ou autour du manchon principal 87.
Dans l’exemple représenté, le premier manchon distal 89 est agencé dans le manchon principal 87.
Le tube interne 33 comprend encore un second manchon distal 91 agencé dans ou autour du premier manchon distal 89 et du manchon principal 87.
Dans l’exemple représenté, le second manchon distal 91 est agencé dans le premier manchon distal 89.
Le manchon principal 87 s’étend sur toute la longueur du tube interne 33.
Le premier manchon distal 89 s’étend le long du premier tronçon distal 83 mais pas le long du tronçon central 63.
Le premier manchon distal 89 s’étend également le long du second tronçon distal 85.
Le second manchon distal 91 s’étend le long du second tronçon distal 85, mais pas le long du premier tronçon distal 89 ni le long du tronçon central 63. En d’autres termes, le tronçon central 63 est constitué seulement du manchon principal 87. Le premier tronçon distal 83 est à deux épaisseurs, et est formé de la superposition du premier manchon distal 89 et du manchon principal 87.
Le second tronçon distal 85 est à trois épaisseurs, et est formé de la superposition du second manchon distal 91 , du premier manchon distal 89 et du manchon principal 87.
Le manchon principal 87 et le premier manchon distal 89 sont plaqués l’un contre l’autre, sans jeu.
De même, le second manchon distal 91 et le premier manchon distal 89 sont plaqués l’un contre l’autre, sans jeu.
Typiquement, le manchon principal 87 présente une épaisseur comprise entre 1 et 5 millimètres, de préférence comprise entre 1 et 3 millimètres, et valant par exemple 1 ,5 millimètres.
Les manchons distaux 89 et/ou 91 présentent avantageusement la même épaisseur que le manchon principal 87.
La nervure à contour fermé 51 s’étend à partir de la grande face interne 46 axialement vers le tube interne 33. Elle est placée axialement dans le prolongement de l’extrémité distale interne 61. Elle est fixée de manière étanche à l’extrémité distale interne 61.
La nervure à contour fermé 51 est typiquement cylindrique, coaxiale à l’axe central C.
La tranche 52 correspond à la surface constituant le sommet de la nervure à contour fermé 51. Elle est sensiblement annulaire, et s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. Elle délimite la nervure à contour fermé 51 à l’opposé de la grande face interne 46.
L’extrémité distale interne 61 est en contact seulement avec la tranche 52. Elle n’est pas en contact avec les surfaces radialement interne et externe de la nervure à contour fermé 51 .
Un bord de l’extrémité distale interne 61 raccordé à la nervure à contour fermé 51 a une paroi d’épaisseur donnée, la nervure à contour fermé 51 ayant une épaisseur de nervure comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
Ce bord est défini par le second tronçon distal 85.
En d’autres termes, la nervure à contour fermé 51 présente sensiblement la même épaisseur de paroi que l’extrémité distale interne 61.
L’extrémité distale interne 61 présente une section externe donnée, la nervure à contour fermé 51 ayant sensiblement la même section externe. L’extrémité proximale interne 59 est directement fixée à la bague 65.
Plus précisément, elle est fixée au col 77.
L’extrémité proximale interne 59 présente une paroi plus épaisse que celle du tronçon central 63.
L’extrémité proximale interne 59 comprend un premier tronçon proximal 103 ayant une épaisseur de paroi supérieure à 150% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Avantageusement, elle comprend également un second tronçon proximal 105 présentant une épaisseur de paroi supérieure à 250% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Le second tronçon proximal 105 est raccordé au tronçon central 63 par le premier tronçon proximal 103.
Le second tronçon proximal 105 est directement raccordé à la bague de fixation 65. Il présente de préférence une épaisseur de paroi sensiblement égale à l’épaisseur du col 77.
Le premier tronçon proximal 103 présente une épaisseur avantageusement comprise entre 150% et 250% de l’épaisseur moyenne donnée e, encore de préférence comprise entre 175% et 225%, et valant par exemple 200% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Le second tronçon proximal 105 présente une épaisseur comprise entre 250% et 350% de l’épaisseur moyenne donnée e, de préférence comprise entre 275% et 325% de l’épaisseur moyenne donnée e, et valant par exemple 300% de l’épaisseur moyenne donnée e.
Le tube interne 33 comprend avantageusement un premier manchon proximal 107 agencé dans ou autour du manchon principal 87.
Le premier manchon proximal 107, dans l’exemple représenté, est agencé dans le manchon principal 87.
Le premier manchon proximal 107 s’étend le long du premier tronçon proximal 103 mais pas le long du tronçon central 63.
Le tube interne 33 comprend encore un second manchon proximal 109 agencé dans ou autour du premier manchon proximal 107 et du manchon principal 87.
Dans l’exemple représenté, le second manchon proximal 109 est agencé dans le premier manchon proximal 107.
Le premier manchon proximal 107 s’étend le long du second tronçon proximal 105.
Le second manchon proximal 109 s’étend le long du second tronçon proximal 105, mais pas le long du premier tronçon proximal 103 ni le long du tronçon central 63. Le premier tronçon proximal 103 est à deux épaisseurs, et est formé de la superposition du premier manchon proximal 107 et du manchon principal 87.
Le second tronçon proximal 105 est à trois épaisseurs, et est formé de la superposition du manchon principal 87, du premier manchon proximal 107 et du second manchon proximal 109.
Comme précédemment, le manchon principal 87 et le premier manchon proximal 103 sont plaqués l’un contre l’autre, sans jeu.
De même, le second manchon proximal 109 et le premier manchon proximal 107 sont plaqués l’un contre l’autre sans jeu.
La plaque de fond 31 comprend une paroi plane 110, sensiblement perpendiculaire à l’axe central C et définissant la grande face interne 46. La paroi plane 110 porte la nervure à contour fermé 51.
La paroi plane 110 porte également le bord périphérique dressé 47.
La paroi plane 110 présente une partie d’épaisseur constante 1 11 , délimitée par la nervure à contour fermé 51 . Cette épaisseur est comprise entre 6 et 2 mm, de préférence entre 5 et 4 mm et idéalement égale à 4,5 mm.
La nervure à contour fermé 51 est délimitée vers l’intérieur par une surface interne 112 raccordée à la grande face interne 46 par une surface arquée de nervure interne 1 13.
La surface interne 112 est la surface radialement interne de la nervure à contour fermé 51 relativement à l’axe central C.
La surface arquée de nervure interne 1 13, en section dans des plans contenant l’axe central C, présente de préférence des sections en portion d’ellipse (figure 4) ou présente en variante des sections en arc de cercle (figures 2 et 3).
Sur la figure 4, le rayon de courbure de la section augmente progressivement quand on suit ladite section depuis la surface interne 112 jusqu’à la grande face interne 46. La surface arquée de nervure interne 113 ne se raccorde pas tangentiellement à la grande face interne 46.
Sur les figures 2 et 3, la surface arquée de nervure interne 113 est un congé. Considérée en section dans un plan radial contenant l’axe central C, elle présente une forme de quart de cercle, se raccordant de manière tangentielle à la surface interne 1 12 et à la grande face interne 46.
De même, la nervure à contour fermé 51 est délimitée vers l’extérieur par une surface externe 115 raccordée à la grande face interne 46 par une surface arquée de nervure externe 117. La surface externe 115 est la surface radialement interne de la nervure à contour fermé 51 relativement à l’axe central C.
La surface arquée de nervure externe 1 17, en section dans des plans contenant l’axe central C, présente de préférence des sections en portion d’ellipse (figure 4) ou présente en variante des sections en arc de cercle (figures 2 et 3).
Sur la figure 4, le rayon de courbure de la section augmente progressivement quand on suit ladite section depuis la surface externe 115 jusqu’à la grande face interne 46. La surface arquée de nervure externe 117 ne se raccorde pas tangentiellement à la grande face interne 46.
Sur les figures 2 et 3, la surface arquée de nervure externe 1 17 est un congé. Considérée en section dans un plan radial contenant l’axe central C, elle présente une forme de quart de cercle, se raccordant de manière tangentielle à la surface externe 1 15 et à la grande face interne 46.
Ainsi, la nervure à contour fermé 51 est raccordée à la grande face interne 46 par une partie pleine, annulaire, de section croissante axialement depuis la nervure 51 vers la grande face interne 46.
Le bord périphérique dressé 47 est délimité vers l’intérieur par une surface interne 119 raccordée à la grande face interne 46 par une surface arquée de bord interne 121 .
La surface interne 1 19 est la surface radialement interne du bord périphérique dressé 47 relativement à l’axe central C.
Sur les figures 2 et 3, la surface arquée de bord interne 121 est un congé. Considérée en section dans un plan radial contenant l’axe central C, elle présente une forme de quart de cercle, se raccordant de manière tangentielle à la surface interne 119 et à la grande face interne 46.
De même, sur la figure 4, la surface arquée de bord interne 121 est un congé.
Selon une variante non représentée, la surface arquée de nervure externe 1 17 présente, en section dans des plans contenant l’axe central C, des sections en portion d’ellipse.
Ainsi, le bord périphérique dressé 47 est raccordé à la grande face interne 46 par une partie pleine, annulaire, de section croissante axialement depuis le bord périphérique dressé 47 vers la grande face interne 46.
La surface arquée de bord interne 121 et la surface arquée de nervure externe 117 sont directement raccordées l’un à l’autre.
Sur les figures 2 et 3, elles forment ensemble une surface en demi-tore. Dans toutes les variantes de réalisation, l’écartement entre la surface externe 1 15 et la surface interne 1 19 commande les rayons de courbure des surfaces arquées de nervure externe 117 et de bord interne 121. Cette distance correspond à l’épaisseur de l’isolation thermique 49, augmentée du vide 50.
Quand les surfaces arquées de nervure externe 117 et/ou de bord interne 121 sont de sections circulaires, le rayon vaut la moitié dudit écartement. Quand les surfaces arquées de nervure externe 117 et/ou de bord interne 121 sont de sections en portion d’ellipse, le demi-petit axe de l’ellipse vaut la moitié dudit écartement.
Typiquement, la surface arquée de nervure interne 1 13 présente des sections sensiblement symétriques de celles de la surface arquée de nervure externe 1 17. Ceci contribue à obtenir une bonne répartition des efforts dans la plaque de fond 31 .
Ainsi, si la surface arquée de nervure externe 1 17 présente des sections en arc de cercle, la surface arquée de nervure interne 113 présente elle aussi des sections en arc de cercle, de même rayon. Si la surface arquée de nervure externe 1 17 présente des sections en portion d’ellipse, la surface arquée de nervure interne 113 présente elle aussi des sections en portion d’ellipse, de même demi petit axe.
De préférence, la hauteur de la nervure à contour fermé 51 est supérieure à la hauteur du bord périphérique dressé 47. Cette hauteur est prise axialement à partir de la grande face interne 46.
Ceci permet de souder plus facilement l’extrémité distale interne 61 sur la nervure à contour fermé 51 .
L’effet technique obtenu du fait de la conception de la plaque de fond 31 est illustré sur les figures 5 à 7.
La figure 5 illustre les niveaux de contraintes mécaniques dans le tube interne 33, pour la plaque de fond 31 des figures 2 et 3.
Des zones de contraintes mécaniques croissantes sont matérialisées et référencées de a à i. Les fourchettes de contraintes, en MPa, correspondant à chaque zone sont indiquées sur la figure 5. Elles varient entre 40 et 200 MPa.
La liaison entre le tube interne 33 et la plaque de fond 31 est soumise à des contraintes très élevées, du fait du porte-à-faux important entre l’extrémité proximale interne 59 du tube interne 33 et la plaque de fond 31 .
De même, le porte-à-faux entre l’extrémité proximale externe 27 du tube externe 25, fixée au réservoir interne 3, et la plaque de fond 31 est très important, de telle sorte que les contraintes au niveau de la fixation du tube externe 25 à la plaque de fond 31 sont élevées. Il apparait que, du fait de la variation d’épaisseur progressive de la paroi du tube interne 33 au niveau de l’extrémité distale interne 61 , les contraintes mécaniques au niveau de cette extrémité distale interne 61 sont bien maitrisées et sont à un niveau satisfaisant.
Ces contraintes sont plus importantes dans le tronçon central 63, relativement moins importantes au niveau du premier tronçon distal 83, et encore moins importantes au niveau du second tronçon distal 85, directement lié à la plaque de fond 31 .
Il apparait que la zone subissant le maximum de contraintes mécaniques est la portion du tronçon central 63 qui jouxte le premier tronçon distal 83. Dans tous les cas, les contraintes restent inférieures à la limite admissible, qui est ici de 180 MPa.
Ces résultats ont été obtenus par calcul, pour une liaison dont les différents éléments sont en acier inoxydable de type 316L. Les calculs mécaniques ont été fait avec une température extérieure de 20°C et en considérant que l’unité de stockage est à 20°C , correspondant à la condition la plus sévère étant donné que la résistance de l’acier inoxydable de type 316L diminue avec la température.
La longueur du tube interne est de 560 millimètres et son diamètre est de 76 millimètres. L’épaisseur des différents manchons est de 1 ,5 millimètre. Le tronçon central du tube interne présente ainsi une paroi de 1 ,5 millimètre d’épaisseur, le premier tronçon proximal et le premier tronçon distal une épaisseur de paroi de 3 millimètres, le second tronçon proximal et le second tronçon distal une épaisseur de paroi de 4,5 millimètres.
La longueur axiale du premier manchon proximal et du premier manchon distal est de 55 millimètres. La longueur axiale du second manchon proximal et du second manchon distal est de 40 millimètres.
Le calcul a été effectué pour un réservoir interne dont la masse est de 167 kg, stockant 40 kg d’hydrogène.
Le flux thermique transitant par conduction le long du tube interne 33 est de 1 W/m2.K environ. Ce transfert thermique par conduction est particulièrement bas.
Le transfert thermique complet du réservoir externe vers le réservoir interne, prenant en compte les flux par convection, par conduction et par radiation, est de 6,2 W environ, avec 1 W environ transmis par chacune des deux liaisons.
La figure 6 montre illustre les niveaux de contraintes mécaniques dans le tube interne 33, pour la plaque de fond 31 de la figure 4.
Des zones de contraintes mécaniques croissantes sont matérialisées et référencées de a à i. Les fourchettes de contraintes, en MPa, correspondant à chaque zone sont indiquées sur la figure 6. Elles varient entre 40 et 200 MPa. Comme précédemment, le niveau de contrainte maximum est dans la portion du tronçon central 63 qui jouxte le premier tronçon distal 83. Le maximum est de 171 ,8 MPa, et reste inférieur à la limite admissible, qui est ici de 180 MPa.
La figure 7, à droite, illustre les niveaux de contraintes mécaniques dans la plaque de fond 31 , pour un cas de chargement correspondant à une accélération de 5 g, perpendiculaire à l’axe central C. L’illustration du haut correspond à la variante de réalisation des figures 2 et 3, et l’illustration du bas à la variante de réalisation de la figure 4.
Des zones de contraintes mécaniques croissantes sont matérialisées et référencées de a à i. Les fourchettes de contraintes, en MPa, correspondant à chaque zone sont indiquées sur la figure 7. Elles varient entre 2,2 et 108,4 MPa.
Pour la plaque de fond 31 des figures 2 et 3, le maximum est à 108,4 MPa et reste acceptable. La variante de la figure 4 permet de faire baisser le maximum à 86,8 MPa.
La figure 7, à gauche, illustre les niveaux de contraintes mécaniques dans la plaque de fond 31 , pour un cas de chargement correspondant à une accélération de 6,6 g, selon l’axe central C. L’illustration du haut correspond à la variante de réalisation des figures 2 et 3, et l’illustration du bas à la variante de réalisation de la figure 4.
Des zones de contraintes mécaniques croissantes sont matérialisées et référencées de a à i. Les fourchettes de contraintes, en MPa, correspondant à chaque zone sont indiquées sur la figure 7. Elles varient entre 0 et 22,8 MPa.
Pour la plaque de fond 31 des figures 2 et 3, le maximum est à 22,8 MPa et reste acceptable. La variante de la figure 4 permet de faire baisser le maximum en dessous de 20,3 MPa.
Ces différentes illustrations montrent que les contraintes les plus élevées ne sont pas dans la zone de la soudure du tube interne 33 à la plaque de fond 31 , ni dans la jonction entre la tranche 52 de la nervure à contour fermé 51 et l’empilement des manchons principal 87, premier distal 89 et second distal 91. Les contraintes sont assez faibles et en pleine matière, dans une zone sans amorce de rupture. Ces amorces de rupture sont généralement localisées soit dans la soudure soit au niveau d’un changement brutal de géométrie.
L’architecture de la suspension décrite ci-dessus est particulièrement avantageuse.
Le fait qu’un bord de l’extrémité distale interne raccordé à la nervure à contour fermé a une paroi d’épaisseur donnée, la nervure ayant une épaisseur de nervure comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%, contribue à faire que la surface de contact entre la nervure à contour fermé et l’extrémité distale interne soit très limitée, et donc que les transferts thermiques par conduction soient réduits.
Le fait que la nervure à contour fermé soit raccordée à la grande face interne de la plaque de fond par des surfaces arquées permet d’éviter les concentrations de contraintes au niveau du raccord entre l’extrémité distale interne et la nervure à contour fermé, et dans la nervure à contour fermé. Cette zone est fortement chargée mécaniquement, du fait du porte-à-faux important vis-à-vis des points de fixation au réservoir interne et au réservoir externe.
De ce fait, il est possible de réduire l’épaisseur de paroi de la nervure à contour fermé, et de réduire l’épaisseur de paroi de l’extrémité distale interne. Ceci contribue à encore diminuer les transferts thermiques par conduction vers la plaque de fond.
Le fait que la grande face interne de la plaque de fond porte un bord périphérique dressé délimité par une tranche, l’extrémité distale externe étant fixée à ladite tranche, contribue également à limiter les transferts thermiques par conduction. En effet, le fluide cryogénique baigne la surface externe du tube externe. La quantité de chaleur diffusée depuis la plaque de fond dans le tube externe est réduite du fait que la zone de contact entre le tube externe et la plaque de fond est elle aussi réduite. Cette zone de contact est limitée à la tranche du bord périphérique dressé.
Le fait que l’extrémité distale externe a une paroi d’épaisseur donnée, le bord périphérique dressé ayant une épaisseur de bord comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%, contribue à faire que la surface de contact entre le bord périphérique dressé et l’extrémité distale externe est très limitée, et donc que les transferts thermiques par conduction sont réduits.
Le fait que le bord périphérique dressé soit délimité vers l’intérieur par une surface interne raccordée à la grande face interne par une surface arquée de bord interne, permet d’éviter les concentrations de contraintes au niveau du raccord entre l’extrémité distale externe et le bord périphérique dressé et dans le bord périphérique dressé.
De ce fait, il est possible de réduire l’épaisseur de paroi du bord périphérique dressé, et de réduire l’épaisseur de paroi de l’extrémité distale externe. Ceci contribue à encore diminuer les transferts thermiques par conduction de la plaque de fond vers le tube externe.
Le fait que la surface arquée de bord interne et la surface arquée de nervure externe soient directement raccordées l’un à l’autre et forment ensemble une surface en demi-tore permet d’obtenir de grands rayons pour la surface arquée de bord interne et la surface arquée de nervure externe, avec suffisamment d’espace entre le tube interne et le tube externe pour loger la couche d’isolation thermique et le vide. L’unité de stockage peut présenter de multiples variantes.
Le réservoir interne et le réservoir externe ne sont pas nécessairement d’axes horizontaux mais pourraient être d’axes verticaux.
L’extrémité proximale interne et/ou l’extrémité distale interne ne sont pas nécessairement du type décrit ci-dessus, c’est-à-dire avec une surépaisseur de matière par rapport au tronçon central. En fonction des accélérations à reprendre, de la masse du réservoir interne, du mode de fixation au réservoir externe, l’extrémité proximale interne et/ou l’extrémité distale interne pourraient également être de même épaisseur que le tronçon central. La surface arquée de bord interne, la surface arquée de nervure interne et la surface arquée de nervure externe peuvent ne pas présenter des sections en arc de cercle ou en portion d’ellipse. En variante, elles présentent des sections en portion d’ovale ou de tout autre forme adaptée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Unité de stockage de fluide cryogénique, l’unité de stockage (1 ) comprenant un réservoir interne (3) délimitant intérieurement un volume (5) de stockage du fluide cryogénique, un réservoir externe (7) à l’intérieur duquel est logé le réservoir interne (3), et une suspension (9) fixant le réservoir interne (3) au réservoir externe (7), la suspension (9) comprenant une liaison (23) comportant :
- un tube externe (25), ayant une extrémité proximale externe (27) fixée au réservoir interne (3) et une extrémité distale externe (29) située à l’intérieur du volume de stockage (5) ;
- une plaque de fond (31) fermant de manière étanche l’extrémité distale externe (29) ;
- un tube interne (33) s’étendant à l’intérieur du tube externe (25), le tube interne (33) ayant une extrémité proximale interne (59) fixée au réservoir externe (7) et une extrémité distale interne (61 ) fixée à la plaque de fond (31 ) ; la plaque de fond (31 ) présentant une grande face interne (46) tournée vers l’intérieur du tube externe (25) et portant une nervure à contour fermé (51 ) ayant un axe central (C) délimitée par une tranche (52), l’extrémité distale interne (61 ) étant fixée à ladite tranche (52).
2. Unité de stockage selon la revendication 1 , dans lequel un bord de l’extrémité distale interne (61 ) raccordé à la nervure à contour fermé (51 ) a une paroi d’épaisseur donnée, la nervure à contour fermé (51 ) ayant une épaisseur de nervure comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
3. Unité de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la nervure à contour fermé (51 ) est délimitée vers l’intérieur par une surface interne (1 12) raccordée à la grande face interne (46) par une surface arquée de nervure interne (1 13), par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central (C) une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
4. Unité de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la nervure à contour fermé (51 ) est délimitée vers l’extérieur par une surface externe (1 15) raccordée à la grande face interne (46) par une surface arquée de nervure externe (117), par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central (C) une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
5. Unité de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grande face interne (46) de la plaque de fond (31 ) porte un bord périphérique dressé (47) délimité par une tranche (48), l’extrémité distale externe (29) étant fixée à ladite tranche (48).
6. Unité de stockage selon la revendication 5, dans lequel la nervure à contour fermé (51 ) présente une hauteur supérieure à celle du bord périphérique dressé (47).
7. Unité de stockage selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l’extrémité distale externe (29) a une paroi d’épaisseur donnée, le bord périphérique dressé (47) ayant une épaisseur de bord comprise entre l’épaisseur donnée moins 10% et l’épaisseur donnée plus 10%.
8. Unité de stockage selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le bord périphérique dressé (47) est délimité vers l’intérieur par une surface interne (1 19) raccordée à la grande face interne (46) par une surface arquée de bord interne (121 ), par exemple ayant en section dans des plans contenant l’axe central (C) une forme en arc de cercle ou en portion d’ellipse.
9. Unité de stockage selon la revendication 8 combiné à la revendication 4, dans lequel la surface arquée de bord interne (121 ) et la surface arquée de nervure externe (1 17) sont directement raccordées l’une à l’autre.
10. Unité de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque de fond (31 ) comprenant une paroi plane (11 1 ), sensiblement perpendiculaire à l’axe central (C), définissant la grande face interne (46) et portant la nervure à contour fermé (51 ).
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