WO2024094675A1 - Unité de stockage de fluide cryogénique et procédé de fabrication correspondant - Google Patents

Unité de stockage de fluide cryogénique et procédé de fabrication correspondant Download PDF

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WO2024094675A1
WO2024094675A1 PCT/EP2023/080322 EP2023080322W WO2024094675A1 WO 2024094675 A1 WO2024094675 A1 WO 2024094675A1 EP 2023080322 W EP2023080322 W EP 2023080322W WO 2024094675 A1 WO2024094675 A1 WO 2024094675A1
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proximal
reservoir
internal
storage unit
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Frederic Greber
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Faurecia Systemes D'echappement
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Definitions

  • TITLE Cryogenic fluid storage unit and corresponding manufacturing process
  • the invention generally relates to a cryogenic fluid storage unit.
  • Such a storage unit may include:
  • an interior reservoir delimiting an internal volume intended to store the cryogenic fluid, the interior reservoir comprising a cylindrical interior shell having a central axis;
  • the outer tank comprises a cylindrical outer shell, coaxial with the inner shell, and two outer bottoms, closing the two ends of the outer shell.
  • the spacing between the intermediate part of the thermal insulating layer, placed around the inner shell, and the outer shell is as small as possible.
  • the intermediate volume delimited between the interior tank and the exterior reservoir, is maintained under a high vacuum to limit heat transfer by convection. Limiting the intermediate volume facilitates the creation of a high vacuum between the inner tank and the outer tank.
  • the inner tank is inserted axially into the outer shell, before welding the outer bottoms onto the outer shell.
  • This risk is due in particular to the small radial spacing between the intermediate part of the thermal insulating layer and the exterior shell, and also to the length of the interior tank, which can exceed 2 meters.
  • the invention aims to propose a cryogenic fluid storage unit in which the risk identified above is reduced.
  • the invention according to a first aspect relates to a cryogenic fluid storage unit comprising:
  • an interior reservoir delimiting an internal volume intended to store the cryogenic fluid and comprising a cylindrical interior shell having a central axis, the interior reservoir having axially in a first direction a proximal axial end and having axially in a second direction, opposite to the first direction, a distal axial end;
  • distal plate linked to the distal axial end of the interior reservoir and having a second exterior diameter greater than the first exterior diameter, to protect the thermal insulating layer during a step of insertion of the interior reservoir into the exterior shell.
  • the inner reservoir When assembling the storage unit, the inner reservoir is advantageously engaged by its distal end in the outer shell, then moved axially until complete insertion.
  • the distal plate guarantees, at the level of the distal axial end of the inner tank, a radial spacing between the inner shell and the outer shell greater than the thickness of the thermal insulating layer.
  • the distal plate comes into contact with the shell of the outer reservoir, the thermal insulating layer therefore not touching the external tank.
  • the orientation of the inner reservoir relative to the central axis of the outer reservoir is easy to control during the insertion operation.
  • the proximal axial end of the inner reservoir is located outside the outer reservoir. Its position relative to the central axis can be easily controlled.
  • the radial position of the distal axial end is controlled due to the presence of the distal plate.
  • the cryogenic fluid storage unit may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in all technically possible combinations: - the storage unit comprises a distal suspension of the interior reservoir to the exterior reservoir with an internal distal tube having a first internal distal end linked to the exterior reservoir by the distal plate and a second internal distal end fixed to the interior reservoir, the distal plate being slidably mounted axially on the first internal distal end;
  • the first internal distal end has a stop blocking axial movement of the distal plate in the first direction
  • the outer shell comprises a central section having a third inner diameter greater than the second outer diameter and a distal end section having a fourth inner diameter equal to the second outer diameter, the distal plate being engaged in the distal end section;
  • the distal plate has a distal central zone of general orientation perpendicular to the central axis, and a distal peripheral edge rising axially from the distal central zone in the first direction;
  • the storage unit comprises a proximal plate fixed to the proximal axial end of the inner reservoir and having a fifth outer diameter greater than or equal to the second outer diameter;
  • the outer shell comprises a proximal end section having a sixth internal diameter greater than the second external diameter and equal to the fifth external diameter, the proximal plate being engaged in the proximal end section;
  • the storage unit comprises a proximal suspension of the interior reservoir to the exterior reservoir with an internal proximal tube having a first internal proximal end fixed to the exterior reservoir by the proximal plate and a second internal proximal end fixed to the interior reservoir;
  • the proximal plate has a proximal central zone of general orientation perpendicular to the central axis and a proximal peripheral edge rising axially from the proximal central zone in the first direction.
  • the invention relates to a method of manufacturing a cryogenic fluid storage unit having the above characteristics, the method comprising the following steps:
  • FIG. 1 is an axial sectional view of the cryogenic fluid storage unit, the two bottoms of the external tank not being shown;
  • FIG. 1 is a perspective view of the distal plate
  • FIG. 3 is an enlarged view of a detail of Figure 1;
  • FIG. 4 is an enlarged view of a detail of Figure 3, the distal plate being shown resting against the stop provided on the inner tube of the distal suspension;
  • FIG. 5 is a view similar to that of Figure 4, showing the situation after thermal contraction of the interior tank;
  • FIG. 6 is a perspective view of the proximal plate of Figure 1;
  • FIG. 7 is an enlarged view of a detail of Figure 1, further showing an outer bottom welded to the outer shell;
  • FIG. 8 shows the inner tank before insertion into the outer tank.
  • the storage unit 1 shown in Figures 1 to 7 is intended to store a cryogenic fluid.
  • cryogenic fluid we mean a fluid at a very low temperature, typically found 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 ChL, 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, a bus, 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 storage unit 1 comprises an interior reservoir 3 delimiting an internal volume 5 intended to store the cryogenic fluid, and an exterior reservoir 7 in which the interior reservoir 3 is housed.
  • the inner tank 3 comprises a cylindrical inner shell 9, having a central axis C.
  • the interior reservoir 3 presents axially in a first direction E1 a proximal axial end 13. It presents axially in a second direction E2, opposite to the first direction E1, a distal axial end 15.
  • the interior reservoir 3 comprises a proximal interior bottom 11 and a distal interior bottom 12, closing opposite axial ends of the interior ferrule 9. They respectively define the proximal and distal axial ends 13, 15.
  • the outer tank 7 includes a cylindrical outer shell 17.
  • the outer shell 17 is coaxial with the central axis C, and therefore with the inner shell 9.
  • the outer reservoir 7 further comprises a proximal outer bottom 19 and a distal outer bottom 21 closing the outer shell 17 at its two opposite axial ends.
  • the proximal outer bottom 19 is shown in Figure 7, but is not shown in Figure 1.
  • the distal outer bottom 21 is shown in Figures 4 and 5, but not in Figure 1.
  • the proximal outer bottom 19 is placed opposite the inner proximal bottom 11.
  • the distal outer bottom 21 is placed opposite the distal inner bottom 12.
  • the inner tank 3 and the outer tank 7 define between them an intermediate volume 23, 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 outer tank 7 to the inner tank 3.
  • the storage unit 1 also includes a layer of thermal insulation 25, with an intermediate part 27 placed around the inner shell 9 of the inner tank 3.
  • the thermal insulating layer 25 also includes end parts 29, covering the external surface of the interior bottoms 11, 12.
  • the external surface of the internal tank 3 is thus practically entirely covered by the thermal insulating layer 25.
  • the thermal insulating layer 25 comprises for example a plurality of metal sheets superimposed on each other, with interposed layers of fiber.
  • the thermal insulating layer 25 is intended to limit radiative transfers from the exterior tank 7 to the interior tank 3.
  • the intermediate part 27 of the thermal insulating layer 25 is substantially cylindrical, and coaxial with the central axis C. It is, in a plane perpendicular to the central axis C, of circular section.
  • the intermediate part 27 of the thermal insulating layer 25 has a first external diameter D1, shown in Figures 3 and 7.
  • the diameter is taken here in a plane perpendicular to the central axis C.
  • external diameter of an element is understood to mean the diameter of the radially external surface of this element.
  • internal diameter of an element we mean the diameter of the radially internal surface of this element.
  • the intermediate part 27 has a first constant external diameter D1, over its entire axial length.
  • the intermediate part 27 of the thermal insulating layer 25 does not have a first external diameter D1 constant over its entire axial length.
  • the first external diameter D1 considered here is then the maximum external diameter.
  • the storage unit also comprises a distal plate 31, linked to the distal axial end 15 of the interior reservoir 3.
  • the distal plate 31 has a second exterior diameter D2, greater than the first exterior diameter D1.
  • the second exterior diameter D2 is strictly greater than the first exterior diameter D1.
  • the difference between the second outer diameter D2 and the first outer diameter D1 is typically between 30 mm and 8 mm, more precisely between 22 mm and 10 mm, and typically 16 mm.
  • the storage unit 1 comprises a distal suspension 33 of the interior reservoir 3 to the exterior reservoir 7.
  • the distal suspension 33 comprises an internal distal tube 35 having a first internal distal end 37 linked to the exterior reservoir 7 by the distal plate 31, and a second internal distal end 39 fixed to the internal reservoir 3.
  • the internal distal tube 35 is coaxial with the central axis C.
  • the distal suspension 33 also comprises an external distal tube 41 having an end 43 rigidly fixed to a ring 45.
  • the ring 45 is itself rigidly fixed to the peripheral edge of an orifice 47, formed in the distal interior bottom 12.
  • the internal distal tube 35 is arranged coaxially inside the external distal tube 41.
  • the first internal distal end 37 projects out of the external distal tube 41, and out of the internal reservoir 3, through the orifice 47.
  • the second internal distal end 39 is rigidly fixed to a plug 49.
  • the external distal tube 41 has another end 51 also rigidly fixed to the plug 49.
  • the plug 49 closes both the internal distal tube 35 and the external distal tube 41, thus isolating the internal volume 5 of the internal reservoir 3 from the internal volume of the tubes.
  • the second internal distal end 39 is therefore fixed to the internal reservoir 3 via the plug 49, the external distal tube 41 and the ring 45.
  • a thermal insulation layer 53 is arranged in the gap between the internal distal tube 35 and the external distal tube 41.
  • the distal plate 31 has the general shape of a substantially circular wheel.
  • the distal peripheral edge 57 is substantially cylindrical and coaxial with the central axis C. It has zones 59 convex radially outwards, separated by recessed zones 61.
  • the convex areas 59, and the recessed areas 61, are regularly distributed circumferentially around the central axis C.
  • Holes 63 are provided in the convex areas 59.
  • the distal peripheral edge 57 is rigidly fixed to the outer shell 17 by plug welds, through the holes 63.
  • the second external diameter D2 is taken at the level of the distal peripheral edge 57.
  • the distal plate 31 is slidably mounted axially on the first internal distal end 37. In other words, there exists a degree of freedom following the direction of the central axis C between the first internal distal end 37 and the distal plate 31.
  • an orifice 65 is provided in the center of the central distal zone 55.
  • the first internal distal end 37 is engaged inside the orifice 65.
  • the first internal distal end 37 has a stop 67 blocking axial movement of the distal plate 31 along the first internal distal end 37 in the first direction E1.
  • the internal distal tube 35 comprises a main sleeve 69 extending over most of the length of the internal distal tube 35, extended by an end sleeve 71 .
  • the end sleeve 71 is engaged in the end of the main sleeve 69, and projects axially therefrom.
  • the stop 67 is constituted by the end of the main sleeve 69, which forms a shoulder around the end sleeve 71.
  • the end sleeve 71 has a diameter slightly smaller than the internal diameter of the orifice 65.
  • the end of the main sleeve 69 has a diameter slightly greater than the internal diameter of the orifice 65.
  • openings 73 are cut in the distal central zone 55 of the distal plate 31.
  • the openings 73 are regularly distributed circumferentially around the orifice 65, and delimit spokes 75 between them.
  • the spokes 75 extend radially with respect to the central axis C. They connect a central hub 77 of the distal plate 31, in which the orifice 65 is provided, at the distal peripheral edge 57.
  • the recessed areas 61 are located in the extension of the rays 75, so as to slightly lengthen the thermal path between the outer tank 7 and the inner tank 3.
  • the distal plate 31 extends axially opposite the distal axial end 15 of the internal reservoir 3. It is slightly offset axially relative to this distal axial end 15, in the second direction E2. It extends axially between the distal interior bottom 12 of the interior reservoir 3 and the distal exterior bottom 21 of the exterior reservoir 7.
  • the outer shell 17 has a central section 79 having a third inner diameter D3 greater than the second outer diameter D2.
  • D3 the third inner diameter
  • D2 the second outer diameter
  • the central section 79 extends over most of the axial length of the outer shell 17.
  • the central section 79 has a circular section perpendicular to the central axis C. This section is typically constant over the entire length of the central section 79.
  • the third interior diameter D3 is strictly greater than the second exterior diameter D2.
  • the difference between the third interior diameter D3 and the second exterior diameter D2 is typically between 2 mm and 14 mm, more precisely between 4 mm and 10 mm, and typically 8 mm.
  • the outer shell 17 also has a distal end section 81 having a fourth inner diameter D4 equal to the second outer diameter D2.
  • the distal end section 81 has a short length axially compared to the central section 79. In a plane perpendicular to the central axis C, it is of circular section, constant over its entire axial length.
  • the distal peripheral edge 57 of the distal plate 31 is engaged in the distal end section 81, and pressed onto the internal surface thereof.
  • the storage unit 1 further comprises a proximal plate 83 fixed to the proximal axial end 13 of the interior reservoir 3 and having a fifth exterior diameter D5 greater than or equal to the second exterior diameter D2.
  • the difference between the fifth external diameter D5 and the second external diameter D2 is typically between 2 mm and 14 mm, more precisely between 4 mm and 10 mm, and typically 8 mm.
  • the fifth outer diameter D5 is equal to the third inner diameter D3.
  • the storage unit 1 comprises a proximal suspension 85 from the interior reservoir 3 to the exterior reservoir 7.
  • the proximal suspension 85 comprises an internal proximal tube 87 having a first internal proximal end 89 attached to the external reservoir 7 by the plate proximal 83.
  • the internal proximal tube 87 further comprises a second internal proximal end 91 fixed to the internal reservoir 3.
  • the internal proximal tube 87 is coaxial with the central axis C.
  • the proximal suspension 85 also comprises an external proximal tube 93 housed in the internal volume 5.
  • the external proximal tube 93 has an end 95 fixed to a ring 97.
  • the ring 97 is itself rigidly fixed to the peripheral edge of an orifice 99 provided in the proximal interior bottom 11.
  • the inner proximal tube 87 extends coaxially inside the outer proximal tube 93.
  • the first inner proximal end 89 projects out of the outer proximal tube 93 through the orifice 99. It is rigidly fixed to a ring 101 .
  • the proximal plate 83 has a central orifice 103, the ring 101 being rigidly fixed to the peripheral edge of the central orifice 103.
  • the second internal proximal end 91 is rigidly fixed to a plug 105.
  • the external proximal tube 93 has another axial end 106 opposite the end 95, rigidly fixed to the plug 105.
  • the plug 105 seals the internal proximal tube 87 and the external proximal tube 93.
  • the proximal plate 83 has a proximal central zone 107 of general orientation perpendicular to the central axis C. It also includes a proximal peripheral edge 109 rising axially from the proximal central zone 107 in the first direction E1.
  • the proximal peripheral edge 109 is substantially cylindrical and coaxial with the central axis C. It has a constant external diameter over its entire axial length.
  • the proximal peripheral edge 109 has zones 11 1 convex radially outwards, separated by recessed zones 113.
  • the convex areas 1 11, and the recessed areas 1 13, are regularly distributed circumferentially around the central axis C.
  • Holes 115 are provided in the convex areas 11 1.
  • the convex areas 111 are pressed against the interior surface of the outer shell 17. Plug welds are made through the holes 115, so as to rigidly fix the proximal peripheral edge 109 to the outer shell 17.
  • the fifth external diameter D5 is taken at the level of the proximal peripheral edge
  • the proximal peripheral edge 109 has a free edge 117 carrying tabs 119, regularly spaced circumferentially.
  • the legs 1 19 are slightly inclined towards the inside of the proximal plate 83. They form with the central axis C an angle of between 0° and 30°, preferably between 5° and 15°. They are intended to guide the proximal outer bottom 19 during its installation.
  • openings 121 are cut in the proximal central zone 107.
  • the openings 121 are spaced circumferentially. They delimit between them spokes 123 connecting a hub 125 of the proximal central zone 107 to the proximal peripheral edge 109.
  • the central orifice 103 is cut out in the hub 125.
  • the recessed areas 113 are located in the extension of the rays 123, so as to lengthen the thermal path between the outer tank 7 and the inner tank 3.
  • the proximal plate 83 takes up approximately half of the mass of the internal reservoir 3, including the cryogenic fluid stored in the internal volume 5. It also takes up approximately half of the forces applied to the internal volume 5 in a plane perpendicular to the central axis C. It takes up all of the forces applied to the internal tank 3 along the central axis C.
  • the distal plate 31 also takes up 50% of the weight of the interior reservoir 3, including the cryogenic fluid stored in the internal volume 5, and 50% of the forces applied to the interior reservoir 3 in a plane perpendicular to the central axis C. However, the distal plate 31 does not take up any force applied to the interior reservoir 3 along the central axis C.
  • the proximal plate 83 is reinforced relative to the distal plate 31. It is made of a metallic material thicker than the distal plate 31. Furthermore, it is stiffened by ribs 127, provided around the openings 121.
  • the outer shell 17 has a proximal end section 129 having a sixth interior diameter D6 greater than the second exterior diameter D2 and equal to the fifth exterior diameter D5.
  • the proximal end section 129 has a short length axially compared to the central section 79. In a plane perpendicular to the central axis C, it is of constant circular section over its entire axial length.
  • the sixth interior diameter D6 is strictly greater than the second exterior diameter D2.
  • the difference between the sixth inner diameter D6 and the second diameter exterior D2 is typically between 2 mm and 14 mm, more precisely between 4 mm and 10 mm, and typically 8 mm.
  • the sixth interior diameter D6 is equal to the third interior diameter D3.
  • the proximal peripheral edge 109 of the proximal plate 83 is engaged in the proximal end section 129. Its external surface is pressed against the internal surface of the proximal end section 129. It is rigidly fixed thereto.
  • the proximal plate 83 extends axially opposite the proximal axial end 13 of the inner reservoir 3. It is slightly offset axially relative to this proximal axial end 13, in the first direction E1. It extends axially between the proximal interior bottom 11 of the interior reservoir 3 and the proximal exterior bottom 19 of the exterior reservoir 7.
  • proximal central zone 107 is curved. It is convex opposite the proximal interior bottom 1 1, that is to say towards the first direction E1.
  • the invention relates to a method of manufacturing the cryogenic fluid storage unit described above.
  • the method includes a step of obtaining the inner reservoir 3, the outer shell 17 and the distal plate 31.
  • the proximal suspension 85 and the distal suspension 33 are mounted on the interior reservoir 3.
  • the interior reservoir 3 comprises the interior ferrule 9, and the proximal and distal interior bottoms 11, 12 fixed to the interior ferrule 9.
  • the proximal 85 and distal 33 suspensions are they are also mounted on the internal tank 3.
  • the obtaining step provides, in addition to obtaining the outer shell 17, obtaining the proximal outer bottom 19 and the distal outer bottom 21, independently of the outer shell 17. At the end of step d To obtain, the funds 19 and 21 are not assembled to the outer shell 17. The latter is open at its two ends.
  • the outer shell 17 is obtained by rolling a metal blank.
  • the distal plate 31 is typically obtained by stamping a metal blank.
  • the obtaining step typically also includes obtaining the proximal plate 83.
  • the proximal plate 83 is obtained by stamping a metal blank.
  • the method further comprises a step of mounting the intermediate part 27 of the thermal insulating layer 25 around the inner shell 9 of the inner tank 3.
  • the assembly step also provides for an operation of mounting the end parts 29 of the thermal insulating layer 25 on the proximal and distal interior bottoms 11, 12.
  • the method then includes a step of connecting the distal plate 31 to the distal end 15 of the interior reservoir 3.
  • This step is carried out by mounting the distal plate 31 on the first internal distal end 37 of the internal distal tube 35 of the distal suspension 33.
  • the distal plate 31 is slidably mounted on the first internal distal end 37.
  • the central orifice 65 is placed around the end sleeve 71.
  • the distal plate 31 is oriented such that the distal peripheral edge 57 rises from the distal central zone 55 in the first direction E1.
  • the method advantageously comprises a step of fixing the proximal plate 83 to the proximal axial end 13 of the internal reservoir 3.
  • the proximal plate 83 is fixed to the first internal proximal end 89 of the internal proximal tube 87 of the proximal suspension 85.
  • the first internal proximal end 89 is fixed to the ring 101, itself fixed to the peripheral edge of the central orifice 103 of the proximal plate 83.
  • the proximal plate 83 is oriented such that the proximal peripheral edge 109 rises axially from the proximal central zone 107 in the first direction E1.
  • the method then includes a step of axially inserting the inner tank 3 into the outer shell 17 of the outer tank 7.
  • the outer shell 17 Before insertion of the inner reservoir 3, the outer shell 17 has an initial shape with sections which may be non-circular due to the method of manufacturing the outer shell 17.
  • the central section 79 has a third interior diameter D3 greater than the second exterior diameter D2.
  • the distal end section 81 has a fourth interior diameter D4 equal to the second exterior diameter D2.
  • the second external diameter D2 corresponds to the diameter of the distal plate 31. It is greater than the first external diameter D1 of the intermediate part 27 of the thermal insulating layer 25.
  • the proximal end section 129 of the outer shell 17 has a sixth interior diameter D6 greater than the second exterior diameter D2, but equal to the fifth exterior diameter D5.
  • the fifth outer diameter D5 is the outer diameter of the proximal plate 83.
  • the distal axial end 15 of the inner reservoir 3 is engaged first. It is engaged in the proximal end section 129 of the outer shell 17.
  • the distal plate 31 is therefore engaged first in the outer shell 17, through the proximal end section 129.
  • the interior reservoir 3 is moved axially, in the second direction E2.
  • the distal plate 31 comes to bear against the internal surface of the outer shell 17.
  • the thermal insulating layer 25 never comes to the contact of the outer shell 17, and cannot be damaged.
  • the distal plate 31 At the end of the insertion operation, the distal plate 31 reaches the distal end section 81 of the outer ferrule 17. Due to the fact that the latter initially has a fourth interior diameter D4 theoretically equal to the second exterior diameter D2, that is to say at the outer diameter of the distal plate 31, it is necessary to exert a significant effort to engage the distal plate 31 in the distal end section 81.
  • the distal end section 81 deforms and adopts the circular shape of the distal plate 31.
  • the distal end section 81 is slightly expanded by the insertion, and has, after insertion, a fourth internal diameter D4 equal to the second external diameter D2.
  • the proximal plate 83 engages in the proximal end section 129 of the outer shell 17. Again, it is necessary to exert a significant effort axially to engage the proximal plate 83 (due to the rounding) in the proximal end section 129.
  • This proximal end section 129 adopts the circular section of the proximal plate 83. The proximal end section 129 undergoes rounding.
  • the distal plate 31 is then rigidly fixed to the outer shell 17, creating plug welds in the holes 63.
  • proximal plate 83 is rigidly fixed to the outer shell 17, by plug welds made in the holes 1 15.
  • the method then includes a step of fixing the distal outer bottom 21 on the outer ferrule 17.
  • the distal outer bottom 21 is welded to the distal end section 81. This welding is facilitated, and its quality is improved, due to the fact that the distal end section 81 has a strictly circular section, and the fact that its diameter is perfectly controlled.
  • the method also includes a step of fixing the proximal outer bottom 19 on the outer shell 17.
  • the proximal outer bottom 19 is first placed against the proximal end section 129. This operation is facilitated by the fact that the tabs 119 provide guidance for the bottom 19.
  • the bottom 19 is welded to the proximal end section 129.
  • This operation is facilitated, and the quality of the weld is improved, due to the fact that the proximal end section 129 has a strictly circular section, and the fact that its diameter is perfectly controlled.
  • the intermediate volume 23 is then evacuated.
  • the internal volume 5 is filled with the cryogenic fluid.
  • the temperature of the interior tank 3 is then significantly lowered. This leads to a contraction of the internal reservoir 3, in particular along the central axis C. Due to the fact that the distal plate 31 is slidably mounted on the internal distal tube 35, this contraction is carried out without deformation of the distal plate 31, and without generating significant mechanical stress at the level of the connection between the distal plate 31 and the internal reservoir 3.
  • the first inner distal end 37 slides in the central orifice 65 of the distal plate 31. This situation is illustrated in Figure 5. The distal plate 31 is then no longer resting against the stop 67.
  • the distal plate 31 takes up the forces applied to the internal tank 3, including the cryogenic fluid, in a plane perpendicular to the central axis C. It takes up in particular 50% of the weight of the internal tank 3.
  • the distal plate 31 does not take up the forces applied to the internal reservoir along the central axis C.
  • the proximal plate takes up all the forces applied axially to the inner reservoir, and takes up 50% of the forces applied to the inner reservoir in a plane perpendicular to the central axis C.
  • the storage unit described above has multiple advantages.
  • distal plate is slidably mounted axially on the first internal distal end allows the contraction of the internal reservoir, once it is loaded with cryogenic fluid, without generating significant mechanical stress in the distal plate or in the internal reservoir .
  • first internal distal end has a stop blocking axial movement of the distal plate in the first direction makes it possible to prevent the thermal insulating layer from being damaged by the distal plate during the operation of inserting the internal reservoir in the outer shell.
  • the stop prevents contact between the distal plate and the thermal insulating layer protecting the distal interior bottom of the interior reservoir.
  • the outer shell comprises a central section having a third inner diameter greater than the second outer diameter and a distal end section having a fourth inner diameter equal to the second outer diameter, allows easy circulation of the distal plate along the section central. Finally, this makes it possible to rectify, if necessary, the shape and diameter of the distal end section, due to the fact that the distal end section adopts the shape of the distal plate. This ultimately facilitates the fixing by welding of the distal outer bottom to the outer shell.
  • the distal plate has a central distal zone of general orientation perpendicular to the central axis and a distal peripheral edge rising axially from the central distal zone in the first direction makes it possible to facilitate the insertion of the inner reservoir into the outer shell. In the event of contact between the distal plate and the outer shell, the risk of entrapment is reduced.
  • the storage unit has a proximal plate fixed to the proximal axial end of the interior reservoir and having a fifth exterior diameter greater than or equal to the second exterior diameter makes it possible to properly control the centering of the proximal axial end of the interior reservoir relative to the outer shell.
  • the outer shell comprises a proximal end section having a sixth inner diameter greater than the second outer diameter and equal to the fifth outer diameter, it is possible to introduce the distal plate and the inner reservoir into the outer shell through the section d the proximal end. Furthermore, the proximal plate rectifies the shape of the proximal end section if necessary, which ultimately facilitates welding of the proximal outer bottom to the outer shell.
  • the storage unit includes a proximal suspension of the inner reservoir to the outer reservoir with an internal proximal tube having a first inner proximal end secured to the outer reservoir by the proximal plate and a second inner proximal end secured to the inner reservoir
  • the reservoir suspension interior to the exterior reservoir is made through the proximal plate.
  • the proximal plate Due to the fact that the proximal plate has a proximal central zone of general orientation perpendicular to the central axis and a proximal peripheral edge rising axially from the proximal central zone in the first direction, the insertion of the interior reservoir into the ferrule exterior is made easier. The risks of the proximal plate getting stuck against the outer shell are reduced

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Abstract

L'unité de stockage comprend: - un réservoir intérieur (3) ayant une virole intérieure (9); - un réservoir extérieur (7) ayant une virole extérieure (17); - une couche d'isolant thermique (25), avec une partie intermédiaire (27) placée autour de la virole intérieure (9), ladite partie intermédiaire (27) présentant un premier diamètre extérieur (D1); - une plaque distale (31) liée à l'extrémité axiale distale (15) du réservoir intérieur (3) et présentant un deuxième diamètre extérieur (D2) supérieur au premier diamètre extérieur (D1), pour protéger la couche d'isolant thermique (25) pendant une étape d'insertion du réservoir intérieur (3) dans la virole extérieure (17).

Description

TITRE : Unité de stockage de fluide cryogénique et procédé de fabrication correspondant
L’invention concerne en général une unité de stockage de fluide cryogénique.
Une telle unité de stockage peut comporter :
- un réservoir intérieur délimitant un volume interne prévu pour stocker le fluide cryogénique, le réservoir intérieur comprenant une virole intérieure cylindrique ayant un axe central ;
- un réservoir extérieur dans lequel est logé le réservoir intérieur ;
- une couche d’isolant thermique, avec une partie intermédiaire placée autour de la virole intérieure du réservoir intérieur.
Le réservoir extérieur comporte une virole extérieure cylindrique, coaxiale à la virole intérieure, et deux fonds extérieurs, fermant les deux extrémités de la virole extérieure.
L’écartement entre la partie intermédiaire de la couche d’isolant thermique, placée autour de la virole intérieure, et la virole extérieure est aussi réduit que possible.
Ceci permet d’améliorer la compacité de l’unité de stockage.
Par ailleurs, le volume intermédiaire, délimité entre le réservoir intérieur et le réservoir extérieur, est maintenu sous un vide poussé pour limiter les transferts thermiques par convection. Limiter le volume intermédiaire facilite la création d’un vide poussé entre le réservoir intérieur et le réservoir extérieur.
Au cours de l’assemblage de l’unité de stockage, le réservoir intérieur est inséré axialement dans la virole extérieure, avant soudage des fonds extérieurs sur la virole extérieure.
Cette opération est particulièrement délicate. Il y a notamment un risque significatif que la partie intermédiaire de la couche d’isolant thermique vienne au contact de la virole extérieure pendant cette insertion, ce qui pourrait endommager la couche d’isolant thermique.
Ce risque est dû notamment au faible écartement radial entre la partie intermédiaire de la couche d’isolant thermique et la virole extérieure, et également à la longueur du réservoir intérieur, qui peut dépasser 2 mètres.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une unité de stockage de fluide cryogénique dans lequel le risque identifié ci-dessus est réduit. À cette fin, l’invention selon un premier aspect porte sur une unité de stockage de fluide cryogénique comprenant :
- un réservoir intérieur délimitant un volume interne prévu pour stocker le fluide cryogénique et comprenant une virole intérieure cylindrique ayant un axe central, le réservoir intérieur présentant axialement suivant une première direction une extrémité axiale proximale et présentant axialement suivant une seconde direction, opposée à la première direction, une extrémité axiale distale;
- un réservoir extérieur dans lequel est logé le réservoir intérieur, le réservoir extérieur ayant une virole extérieure sensiblement coaxiale à l’axe central;
- une couche d’isolant thermique, avec une partie intermédiaire placée autour de la virole intérieure du réservoir intérieur, ladite partie intermédiaire présentant un premier diamètre extérieur;
- une plaque distale liée à l’extrémité axiale distale du réservoir intérieur et présentant un deuxième diamètre extérieur supérieur au premier diamètre extérieur, pour protéger la couche d’isolant thermique pendant une étape d’insertion du réservoir intérieur dans la virole extérieure.
Au moment de l’assemblage de l’unité de stockage, le réservoir intérieur est avantageusement engagé par son extrémité distale dans la virole extérieure, puis déplacé axialement jusqu’à insertion complète. La plaque distale garantit, au niveau de l’extrémité axiale distale du réservoir intérieur, un écartement radial entre la virole intérieure et la virole extérieure supérieur à l’épaisseur de la couche d’isolant thermique.
Si, au cours de l’insertion, le réservoir intérieur adopte une orientation légèrement oblique par rapport à l’axe central, la plaque distale vient au contact de la virole du réservoir extérieur, la couche d’isolant thermique ne touchant pas de ce fait le réservoir extérieur.
Du fait de la présence de la plaque distale, l’orientation du réservoir intérieur par rapport à l’axe central du réservoir extérieur est facile à maitriser pendant l’opération d’insertion. En effet, l’extrémité axiale proximale du réservoir intérieur est située à l’extérieur du réservoir extérieur. Sa position par rapport à l’axe central peut être facilement contrôlée. La position radiale de l’extrémité axiale distale quant à elle est maitrisée du fait de la présence de la plaque distale.
L’unité de stockage de fluide cryogénique peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’unité de stockage comprend une suspension distale du réservoir intérieur au réservoir extérieur avec un tube distal interne présentant une première extrémité distale interne liée au réservoir extérieur par la plaque distale et une deuxième extrémité distale interne fixée au réservoir intérieur, la plaque distale étant montée coulissante axialement sur la première extrémité distale interne ;
- la première extrémité distale interne présente une butée bloquant un déplacement axial de la plaque distale selon la première direction ;
- la virole extérieure comprend un tronçon central présentant un troisième diamètre intérieur supérieur au deuxième diamètre extérieur et un tronçon d’extrémité distal présentant un quatrième diamètre intérieur égal au deuxième diamètre extérieur, la plaque distale étant engagée dans le tronçon d’extrémité distale ;
- la plaque distale présente une zone centrale distale d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central, et un bord périphérique distal se dressant axialement à partir de la zone centrale distale selon la première direction ;
- l’unité de stockage comprend une plaque proximale fixée à l’extrémité axiale proximale du réservoir intérieur et présentant un cinquième diamètre extérieur supérieur ou égal au deuxième diamètre extérieur ;
- la virole extérieure comprend un tronçon d’extrémité proximal présentant un sixième diamètre intérieur supérieur au deuxième diamètre extérieur et égal au cinquième diamètre extérieur, la plaque proximale étant engagée dans le tronçon d’extrémité proximal ;
- l’unité de stockage comprend une suspension proximale du réservoir intérieur au réservoir extérieur avec un tube proximal interne présentant une première extrémité proximale interne fixée au réservoir extérieur par la plaque proximale et une deuxième extrémité proximale interne fixée au réservoir intérieur ;
- la plaque proximale présente une zone centrale proximale d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central et un bord périphérique proximal se dressant axialement à partir de la zone centrale proximale selon la première direction.
Selon un second aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication d’une unité de stockage de fluide cryogénique ayant les caractéristiques ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- obtention du réservoir intérieur, de la virole extérieure et de la plaque distale ;
- montage de la partie intermédiaire de la couche d’isolant thermique autour de la virole intérieure du réservoir intérieur;
- liaison de la plaque distale à l’extrémité axiale distale du réservoir intérieur; - insertion axialement du réservoir intérieur dans la virole extérieure du réservoir extérieur selon la seconde direction, l’extrémité axiale distale étant engagée en premier, la plaque distale empêchant le contact entre le réservoir extérieur et la couche d’isolant thermique pendant l’insertion du réservoir intérieur.
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, les deux fonds du réservoir extérieur n’étant pas représentés ;
- La figure 2 est une vue en perspective de la plaque distale ;
- La figure 3 est une vue agrandie d’un détail de la figure 1 ;
- La figure 4 est une vue agrandie d’un détail de la figure 3, la plaque distale étant représentée en appui contre la butée ménagée sur le tube intérieur de la suspension distale ;
- figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4, montrant la situation après contraction thermique du réservoir intérieur ;
- La figure 6 est une vue en perspective de la plaque proximale de la figure 1 ;
- La figure 7 est une vue agrandie d’un détail de la figure 1 , montrant en outre un fond extérieur soudé à la virole extérieure ; et
- La figure 8 montre le réservoir intérieur avant insertion dans le réservoir extérieur.
L’unité de stockage 1 représenté sur les figures 1 à 7 est destiné à stocker un fluide cryogénique.
On entend par fluide cryogénique un fluide à une température très basse, se trouvant typiquement 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 ChL, 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 de 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, un autobus, 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 1 comprend un réservoir intérieur 3 délimitant un volume interne 5 prévu pour stocker le fluide cryogénique, et un réservoir extérieur 7 dans lequel est logé le réservoir intérieur 3.
Le réservoir intérieur 3 comprend une virole intérieure 9 cylindrique, ayant un axe central C.
Le réservoir intérieur 3 présente axialement suivant une première direction E1 une extrémité axiale proximale 13. Il présente axialement suivant une seconde direction E2, opposée à la première direction E1 , une extrémité axiale distale 15.
Le réservoir intérieur 3 comporte un fond intérieur proximal 1 1 et un fond intérieur distal 12, fermant des extrémités axiales opposées de la virole intérieure 9. Ils définissent respectivement les extrémités axiales proximale et distale 13, 15.
De la même façon, le réservoir extérieur 7 comporte une virole extérieure 17 cylindrique.
La virole extérieure 17 est coaxiale à l’axe central C, et donc à la virole intérieure 9.
Le réservoir extérieur 7 comporte encore un fond extérieur proximal 19 et un fond extérieur distal 21 fermant la virole extérieure 17 à ses deux extrémités axiales opposées. Le fond extérieur proximal 19 est représenté sur la figure 7, mais n’est pas représenté sur la figure 1 . Le fond extérieur distal 21 est représenté sur les figures 4 et 5, mais pas sur la figure 1.
Le fond extérieur proximal 19 est placé en regard du fond proximal intérieur 1 1 .
Le fond extérieur distal 21 est placé en regard du fond intérieur distal 12.
Le réservoir intérieur 3 et le réservoir extérieur 7 délimitent entre eux un volume intermédiaire 23, maintenu sous un vide poussé.
Ce vide est typiquement de l’ordre de 10-5 millibars, de manière à limiter fortement le transfert thermique par convection depuis le réservoir extérieur 7 vers le réservoir intérieur 3.
L’unité de stockage 1 comporte encore une couche d’isolant thermique 25, avec une partie intermédiaire 27 placée autour de la virole intérieure 9 du réservoir intérieur 3.
La couche d’isolant thermique 25 comporte également des parties terminales 29, couvrant la surface externe des fonds intérieurs 11 , 12.
La surface externe du réservoir intérieur 3 est ainsi pratiquement entièrement couverte par la couche d’isolant thermique 25.
La couche d’isolant thermique 25 comporte par exemple une pluralité de feuilles métalliques superposées les unes sur les autres, avec interposition de couches de fibre. La couche d’isolant thermique 25 est prévue pour limiter les transferts radiatifs depuis le réservoir extérieur 7 vers le réservoir intérieur 3.
La partie intermédiaire 27 de la couche d’isolant thermique 25 est sensiblement cylindrique, et coaxiale à l’axe central C. Elle est, dans un plan perpendiculaire à l’axe central C, de section circulaire.
La partie intermédiaire 27 de la couche d’isolant thermique 25 présente un premier diamètre extérieur D1 , matérialisé sur les figures 3 et 7.
Le diamètre est pris ici dans un plan perpendiculaire à l’axe central C.
Dans la présente description, on entend par diamètre extérieur d’un élément le diamètre de la surface radialement extérieure de cet élément. On entend par diamètre intérieur d’un élément le diamètre de la surface radialement intérieure de cet élément.
Typiquement, la partie intermédiaire 27 présente un premier diamètre extérieur D1 constant, sur toute sa longueur axiale.
En variante, la partie intermédiaire 27 de la couche d’isolant thermique 25 ne présente pas un premier diamètre extérieur D1 constant sur toute sa longueur axiale. Le premier diamètre extérieur D1 considéré ici est alors le diamètre extérieur maximum.
Comme visible sur la figure 1 , l’unité de stockage comporte encore une plaque distale 31 , liée à l’extrémité axiale distale 15 du réservoir intérieur 3. La plaque distale 31 présente un deuxième diamètre extérieur D2, supérieur au premier diamètre extérieur D1 .
Comme précédemment, on considère ici le diamètre de la plaque distale 31 pris dans un plan perpendiculaire à l’axe central C.
Le deuxième diamètre extérieur D2 est strictement supérieur au premier diamètre extérieur D1 . La différence entre le deuxième diamètre extérieur D2 et le premier diamètre extérieur D1 est typiquement comprise entre 30 mm et 8 mm, plus précisément ente 22 mm et 10 mm, et typiquement de 16 mm.
L’unité de stockage 1 comprend une suspension distale 33 du réservoir intérieur 3 au réservoir extérieur 7. La suspension distale 33 comprend un tube distal interne 35 présentant une première extrémité distale interne 37 liée au réservoir extérieur 7 par la plaque distale 31 , et une deuxième extrémité distale interne 39 fixée au réservoir intérieur 3.
Le tube distal interne 35 est coaxial à l’axe central C.
La suspension distale 33 comporte également un tube distal externe 41 présentant une extrémité 43 rigidement fixée à une bague 45. La bague 45 est elle-même rigidement fixée au bord périphérique d’un orifice 47, ménagé dans le fond intérieur distal 12. Le tube distal interne 35 est agencé de manière coaxiale à l’intérieur du tube distal externe 41. La première extrémité distale interne 37 fait saillie hors du tube distal externe 41 , et hors du réservoir intérieur 3, à travers l’orifice 47.
La deuxième extrémité distale interne 39 est rigidement fixée à un bouchon 49. Le tube distal externe 41 présente une autre extrémité 51 rigidement fixée elle aussi au bouchon 49.
Le bouchon 49 obture à la fois le tube distal interne 35 et le tube distal externe 41 , isolant ainsi le volume interne 5 du réservoir intérieure 3 du volume interne des tubes.
La deuxième extrémité distale interne 39 est donc fixée au réservoir intérieur 3 par l’intermédiaire du bouchon 49, du tube distal externe 41 et de la bague 45.
Il est à noter qu’une couche d’isolation thermique 53 est agencée dans l’interstice entre le tube distal interne 35 et le tube distal externe 41 .
Comme visible notamment sur les figures 2 et 3, la plaque distale 31 présente la forme générale d’une roue sensiblement circulaire.
Elle présente une zone centrale distale 55 d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central C, et un bord périphérique distal 57 se dressant axialement à partir de la zone centrale distale 55 selon la première direction E1 .
Le bord périphérique distal 57 est sensiblement cylindrique et coaxial à l’axe central C. Il présente des zones 59 bombées radialement vers l’extérieur, séparées par des zones en creux 61 .
Les zones bombées 59, et les zones en creux 61 , sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l’axe central C.
Des trous 63 sont ménagés dans les zones bombées 59.
Le bord périphérique distale 57 est rigidement fixé à la virole extérieure 17 par des soudures bouchon, à travers les trous 63.
Seules les zones bombées 59 sont en contact avec la virole extérieure 17, les zones en creux 61 n’étant pas en contact avec la virole extérieure 17. Ceci permet de réduire les transferts thermiques par conduction entre le réservoir extérieur 7 et le réservoir intérieur 3.
Le deuxième diamètre extérieur D2 est pris au niveau du bord périphérique distal 57.
Plus précisément, il est pris au niveau des zones bombées 59.
Comme visible sur les figures 3 à 5, la plaque distale 31 est montée coulissante axialement sur la première extrémité distale interne 37. Autrement dit, il existe un degré de liberté suivant la direction de l’axe central C entre la première extrémité distale interne 37 et la plaque distale 31 .
Pour ce faire, et comme visible sur la figure 2, un orifice 65 est ménagé au centre de la zone centrale distale 55. La première extrémité distale interne 37 est engagée à l’intérieur de l’orifice 65.
Avantageusement, la première extrémité distale interne 37 présente une butée 67 bloquant un déplacement axial de la plaque distale 31 le long de la première extrémité distale interne 37 selon la première direction E1 .
Pour ce faire, et comme représenté sur les figures 4 et 5 notamment, le tube distal interne 35 comporte un manchon principal 69 s’étendant sur la plus grande partie de la longueur du tube distal interne 35, prolongé par un manchon d’extrémité 71.
Le manchon d’extrémité 71 est engagé dans l’extrémité du manchon principal 69, et fait saillie axialement hors de celui-ci. La butée 67 est constituée par l’extrémité du manchon principal 69, qui forme un épaulement autour du manchon d’extrémité 71.
Le manchon d’extrémité 71 présente un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne de l’orifice 65. L’extrémité du manchon principal 69 en revanche présente un diamètre légèrement supérieur au diamètre interne de l’orifice 65.
Comme visible sur la figure 2, des ouvertures 73 sont découpées dans la zone centrale distale 55 de la plaque distale 31 . Les ouvertures 73 sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l’orifice 65, et délimitent entre elles des rayons 75. Les rayons 75 s’étendent radialement par rapport à l’axe central C. Ils raccordent un moyeu central 77 de la plaque distale 31 , dans lequel est ménagé l’orifice 65, au bord périphérique distal 57.
Les zones en creux 61 sont situées dans le prolongement des rayons 75, de manière à allonger légèrement le chemin thermique entre le réservoir extérieur 7 et le réservoir intérieur 3.
Ainsi, la plaque distale 31 s’étend en vis-à-vis axialement de l’extrémité axiale distale 15 du réservoir intérieur 3. Elle est légèrement décalée axialement par rapport à cette extrémité axiale distale 15, suivant la seconde direction E2. Elle s’étend axialement entre le fond intérieur distal 12 du réservoir intérieur 3 et le fond extérieur distal 21 du réservoir extérieur 7.
Comme visible sur la figure 3, la virole extérieure 17 présente un tronçon central 79 présentant un troisième diamètre intérieur D3 supérieur au deuxième diamètre extérieur D2. On considère ici le diamètre intérieur du tronçon central 79, pris dans un plan perpendiculaire à l’axe central C.
Le tronçon central 79 s’étend sur la plus grande partie de la longueur axiale de la virole extérieur 17.
Le tronçon central 79 présente perpendiculairement à l’axe central C une section circulaire. Cette section est typiquement constante sur toute la longueur du tronçon central 79.
Le troisième diamètre intérieur D3 est strictement supérieur au deuxième diamètre extérieur D2. La différence entre le troisième diamètre intérieur D3 et le deuxième diamètre extérieur D2 est typiquement comprise entre 2 mm et 14 mm, plus précisément entre 4 mm et 10mm, et typiquement de 8 mm.
La virole extérieure 17 présente encore un tronçon d’extrémité distale 81 présentant un quatrième diamètre intérieur D4 égal au deuxième diamètre extérieur D2.
Dans la présente description, quand on indique que deux diamètres sont égaux, ces diamètres sont égaux aux tolérances de fabrication près. En d’autres termes, les diamètres réels des pièces peuvent être légèrement différents l’un de l’autre, dans la limites des tolérances de fabrication de chacune des pièces.
Le tronçon d’extrémité distale 81 présente axialement une faible longueur par rapport au tronçon central 79. Dans un plan perpendiculaire à l’axe central C, il est de section circulaire, constante sur toute sa longueur axiale.
Le bord périphérique distal 57 de la plaque distale 31 est engagé dans le tronçon d’extrémité distale 81 , et plaqué sur la surface interne de celui-ci.
L’unité de stockage 1 comprend encore une plaque proximale 83 fixée à l’extrémité axiale proximale 13 du réservoir intérieur 3 et présentant un cinquième diamètre extérieur D5 supérieur ou égal au deuxième diamètre extérieur D2.
La différence entre le cinquième diamètre extérieur D5 et le deuxième diamètre extérieur D2 est typiquement comprise entre 2 mm et 14 mm, plus précisément entre 4 mm et 10 mm, et typiquement de 8 mm.
Typiquement, le cinquième diamètre extérieur D5 est égal au troisième diamètre intérieur D3.
Comme visible sur la figure 1 et sur la figure 7, l’unité de stockage 1 comprend une suspension proximale 85 du réservoir intérieur 3 au réservoir extérieur 7.
La suspension proximale 85 comprend un tube proximal interne 87 présentant une première extrémité proximale interne 89 fixée au réservoir extérieur 7 par la plaque proximale 83. Le tube proximal interne 87 comprend encore une deuxième extrémité proximale interne 91 fixée au réservoir intérieur 3.
Le tube proximal interne 87 est coaxial à l’axe central C.
La suspension proximale 85 comporte par ailleurs un tube proximal externe 93 logé dans le volume interne 5. Le tube proximal externe 93 présente une extrémité 95 fixée à une bague 97. La bague 97 est elle-même rigidement fixée au bord périphérique d’un orifice 99 ménagé dans le fond intérieur proximal 11 .
Le tube proximal interne 87 s’étend de manière coaxiale à l’intérieur du tube proximal externe 93. La première extrémité proximale interne 89 fait saillie hors du tube proximal externe 93 à travers l’orifice 99. Elle est rigidement fixée à une bague 101.
La plaque proximale 83 présente quant à elle un orifice central 103, la bague 101 étant rigidement fixée au bord périphérique de l’orifice central 103.
La deuxième extrémité proximale interne 91 est rigidement fixée à un bouchon 105. Le tube proximal externe 93 présente une autre extrémité axiale 106 opposée à l’extrémité 95, rigidement fixée au bouchon 105. Le bouchon 105 obture de manière étanche le tube proximal interne 87 et le tube proximal externe 93.
La plaque proximale 83 présente une zone centrale proximale 107 d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central C. Elle comporte également un bord périphérique proximal 109 se dressant axialement à partir de la zone centrale proximale 107 selon la première direction E1 .
Le bord périphérique proximal 109 est sensiblement cylindrique et coaxial à l’axe central C. Il est de diamètre extérieur constant sur toute sa longueur axiale.
Comme illustré sur la figure 6, le bord périphérique proximal 109 présente des zones 11 1 bombées radialement vers l’extérieur, séparées par des zones en creux 113.
Les zones bombées 1 11 , et les zones en creux 1 13, sont régulièrement réparties circonférentiellement autour de l’axe central C.
Des trous 115 sont ménagés dans les zones bombées 11 1.
Les zones bombées 111 sont plaquées contre la surface intérieure de la virole extérieure 17. Des soudures bouchon sont réalisées à travers les trous 115, de manière à fixer rigidement le bord périphérique proximal 109 à la virole extérieure 17.
Le cinquième diamètre extérieur D5 est pris au niveau du bord périphérique proximal
109.
Plus précisément, il est pris au niveau des zones bombées 1 11. Le bord périphérique proximal 109 présente un bord libre 117 portant des pattes 119, régulièrement espacées circonférentiellement. Les pattes 1 19 sont légèrement inclinées vers l’intérieur de la plaque proximale 83. Elles forment avec l’axe central C un angle compris entre 0° et 30°, de préférence entre 5° et 15°. Elles sont prévues pour guider le fond extérieur proximal 19 lors de sa mise en place.
Comme précédemment, des ouvertures 121 sont découpées dans la zone centrale proximale 107. Les ouvertures 121 sont espacées circonférentiellement. Elles délimitent entre elles des rayons 123 raccordant un moyeu 125 de la zone centrale proximale 107 au bord périphérique proximal 109. L’orifice central 103 est découpé dans le moyeu 125.
Les zones en creux 113 sont situées dans le prolongement des rayons 123, de manière à allonger le chemin thermique entre le réservoir extérieur 7 et le réservoir intérieur 3.
La plaque proximale 83 reprend environ la moitié de la masse du réservoir intérieur 3, y compris le fluide cryogénique stocké dans le volume interne 5. Elle reprend également environ la moitié des efforts appliqués au volume interne 5 dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. Elle reprend la totalité des efforts appliqués au réservoir intérieur 3 selon l’axe central C.
La plaque distale 31 reprend elle aussi 50 % du poids du réservoir intérieur 3, y compris le fluide cryogénique stocké dans le volume interne 5, et 50% des efforts appliqués au réservoir intérieur 3 dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. En revanche, la plaque distale 31 ne reprend aucun effort appliqué au réservoir intérieur 3 selon l’axe central C.
De ce fait, la plaque proximale 83 est renforcée par rapport à la plaque distale 31 . Elle est réalisée dans un matériau métallique plus épais que la plaque distale 31. Par ailleurs, elle est rigidifiée par des nervures 127, ménagées autour des ouvertures 121.
Comme visible sur la figure 7, la virole extérieure 17 présente un tronçon d’extrémité proximal 129 présentant un sixième diamètre intérieur D6 supérieur au deuxième diamètre extérieur D2 et égal au cinquième diamètre extérieur D5.
Le tronçon d’extrémité proximal 129 présente axialement une faible longueur par rapport au tronçon central 79. Dans un plan perpendiculaire à l’axe central C, il est de section circulaire constante sur toute sa longueur axiale.
Le sixième diamètre intérieur D6 est strictement supérieur au deuxième diamètre extérieur D2. La différence entre le sixième diamètre intérieur D6 et le deuxième diamètre extérieur D2 est typiquement comprise entre 2 mm et 14 mm, plus précisément entre 4 mm et 10 mm, et typiquement de 8 mm.
Le sixième diamètre intérieur D6 est égal au troisième diamètre intérieur D3.
Le bord périphérique proximal 109 de la plaque proximale 83 est engagé dans le tronçon d’extrémité proximal 129. Sa surface externe est plaquée contre la surface interne du tronçon d’extrémité proximal 129. Il est rigidement fixé à celui-ci.
Ainsi, la plaque proximale 83 s’étend en vis-à-vis axialement de l’extrémité axiale proximale 13 du réservoir intérieur 3. Elle est légèrement décalée axialement par rapport à cette extrémité axiale proximale 13, suivant la première direction E1. Elle s’étend axialement entre le fond intérieur proximal 11 du réservoir intérieur 3 et le fond extérieur proximal 19 du réservoir extérieur 7.
Comme visible sur la figure 7, la zone centrale proximale 107 est bombée. Elle est convexe à l’opposé du fond intérieur proximal 1 1 , c’est-à-dire vers la première direction E1 .
L’invention porte selon un second aspect sur un procédé de fabrication de l’unité de stockage de fluide cryogénique décrit ci-dessus.
Le procédé comprend une étape d’obtention du réservoir intérieur 3, de la virole extérieure 17 et de la plaque distale 31 .
Au cours de cette étape d’obtention, la suspension proximale 85 et la suspension distale 33 sont montées sur le réservoir intérieur 3.
Ainsi, à l’issue de l’étape d’obtention, le réservoir intérieur 3 comporte la virole intérieure 9, et les fonds intérieurs proximal et distal 1 1 , 12 fixés à la virole intérieure 9. Les suspensions proximale 85 et distale 33 sont elles aussi montées sur le réservoir intérieur 3.
L’étape d’obtention prévoit, en plus de l’obtention de la virole extérieure 17, l’obtention du fond extérieur proximal 19 et du fond extérieur distal 21 , indépendamment de la virole extérieure 17. À la fin de l’étape d’obtention, les fonds 19 et 21 ne sont pas assemblés à la virole extérieure 17. Celle-ci est ouverte à ses deux extrémités.
Typiquement, la virole extérieure 17 est obtenue par roulage d’un flan de métal.
Au cours de l’étape d’obtention, la plaque distale 31 est obtenue typiquement par emboutissage d’un flan métallique.
L’étape d’obtention comporte typiquement également l’obtention de la plaque proximale 83.
La plaque proximale 83 est obtenue par emboutissage d’un flan métallique. Le procédé comprend en outre une étape de montage de la partie intermédiaire 27 de la couche d’isolant thermique 25 autour de la virole intérieure 9 du réservoir intérieur 3.
L’étape de montage prévoit également une opération de montage des parties terminales 29 de la couche d’isolant thermique 25 sur les fonds intérieurs proximal et distal 11 , 12.
Le procédé comporte ensuite une étape de liaison de la plaque distale 31 à l’extrémité distale 15 du réservoir intérieur 3.
Cette étape est effectuée en montant la plaque distale 31 sur la première extrémité distale interne 37 du tube distal interne 35 de la suspension distale 33.
La plaque distale 31 est montée de manière coulissante sur la première extrémité distale interne 37.
Pour ce faire, l’orifice central 65 est placé autour du manchon d’extrémité 71 .
La plaque distale 31 est orientée de telle sorte que le bord périphérique distal 57 se dresse à partir de la zone centrale distale 55 suivant la première direction E1 .
Le procédé comprend avantageusement une étape de fixation de la plaque proximale 83 à l’extrémité axiale proximale 13 du réservoir intérieur 3.
Pour ce faire, la plaque proximale 83 est fixée à la première extrémité proximale interne 89 du tube proximal interne 87 de la suspension proximale 85.
La première extrémité proximale interne 89 est fixée à la bague 101 , elle-même fixée au bord périphérique de l’orifice central 103 de la plaque proximale 83.
La plaque proximale 83 est orientée de telle sorte que le bord périphérique proximal 109 se dresse axialement à partir de la zone centrale proximale 107 dans la première direction E1 .
Le procédé comporte ensuite une étape d’insertion axialement du réservoir intérieur 3 dans la virole extérieure 17 du réservoir extérieur 7.
Avant insertion du réservoir intérieur 3, la virole extérieure 17 présente une forme initiale avec des sections qui peuvent être non circulaires du fait du mode de fabrication de la virole extérieure 17.
Le tronçon central 79 présente un troisième diamètre intérieur D3 supérieur au deuxième diamètre extérieur D2. Le tronçon d’extrémité distal 81 présente un quatrième diamètre intérieur D4 égal au deuxième diamètre extérieur D2. Le deuxième diamètre extérieur D2 correspond au diamètre de la plaque distale 31. Il est supérieur au premier diamètre extérieur D1 de la partie intermédiaire 27 de la couche d’isolant thermique 25. Par ailleurs, le tronçon d’extrémité proximal 129 de la virole extérieure 17 présente un sixième diamètre intérieur D6 supérieur au deuxième diamètre extérieur D2, mais égal au cinquième diamètre extérieur D5. Le cinquième diamètre extérieur D5 est le diamètre extérieur de la plaque proximale 83.
Comme illustré sur la figure 8, l’extrémité axiale distale 15 du réservoir intérieur 3 est engagée en premier. Elle est engagée dans le tronçon d’extrémité proximale 129 de la virole extérieure 17.
Au cours de l’étape d’insertion, la plaque distale 31 est donc engagée en premier dans la virole extérieure 17, à travers le tronçon d’extrémité proximale 129.
Le réservoir intérieur 3 est déplacé axialement, suivant la seconde direction E2.
Pour ce faire, il est maintenu dans une orientation coaxiale à la virole extérieure 17, par des dispositifs de maintien non représentés.
Il est poussé par un chariot non représenté.
Si, au cours de ce déplacement, le réservoir intérieur 3 est légèrement désaxé par rapport à la virole extérieure 17, la plaque distale 31 vient porter contre la surface interne de la virole extérieure 17. La couche d’isolant thermique 25 ne vient jamais au contact de la virole extérieure 17, et ne peut pas être endommagée.
Les contacts éventuels entre la plaque distale 31 et la virole extérieure 17 tendent à faire glisser la plaque distale 31 suivant la première direction E1 le long de la première extrémité distale interne 37. La plaque distale 31 vient alors en appui contre la butée 67, comme illustré sur la figure 4.
À la fin de l’opération d’insertion, la plaque distale 31 atteint le tronçon d’extrémité distal 81 de la virole extérieure 17. Du fait que celui-ci présente initialement un quatrième diamètre intérieur D4 théoriquement égal au second diamètre extérieur D2, c’est-à-dire au diamètre extérieur de la plaque distale 31 , il est nécessaire d’exercer un effort significatif pour engager la plaque distale 31 dans le tronçon d’extrémité distal 81 .
Ceci conduit à rectifier la forme du tronçon d’extrémité distal 81 , si celle-ci n’est pas parfaitement circulaire. Le tronçon d’extrémité distal 81 se déforme et adopte la forme circulaire de la plaque distale 31 .
En variante, le tronçon d’extrémité distal 81 est légèrement expansé par l’insertion, et présente, après insertion, un quatrième diamètre interne D4 égal au second diamètre externe D2.
Du fait de la présence de la butée 67, la zone centrale distale 55 de la plaque distale
31 ne vient pas porter contre la couche d’isolant thermique 25 couvrant l’extrémité axiale distale 15 du réservoir intérieur 3. Cette couche d’isolant thermique 25 n’est donc pas endommagée.
De manière concomitante, la plaque proximale 83 vient s’engager dans le tronçon d’extrémité proximal 129 de la virole extérieure 17. De nouveau, il est nécessaire d’exercer un effort significatif axialement pour engager la plaque proximale 83 (du fait de la mise au rond) dans le tronçon d’extrémité proximal 129.
Ceci permet de rectifier, le cas échéant, la forme du tronçon d’extrémité proximal 129. Ce tronçon d’extrémité proximal 129 adopte la section circulaire de la plaque proximale 83. Le tronçon d’extrémité proximal 129 subit une mise au rond.
La plaque distale 31 est ensuite rigidement fixée à la virole extérieure 17, en créant des soudures bouchon dans les trous 63.
De la même façon, la plaque proximale 83 est rigidement fixée à la virole extérieure 17, par des soudures bouchon réalisées dans les trous 1 15.
Le procédé comporte ensuite une étape de fixation du fond extérieur distal 21 sur la virole extérieure 17. Le fond extérieur distal 21 est soudé sur le tronçon d’extrémité distal 81 . Cette soudure est facilitée, et sa qualité est améliorée, du fait que le tronçon d’extrémité distal 81 présente une section rigoureusement circulaire, et du fait que son diamètre est parfaitement maitrisé.
Le procédé comporte également une étape de fixation du fond extérieur proximal 19 sur la virole extérieure 17.
Le fond extérieur proximal 19 est d’abord mis en place contre le tronçon d’extrémité proximal 129. Cette opération est facilitée du fait que les pattes 1 19 assurent un guidage du fond 19.
Puis, le fond 19 est soudé sur le tronçon d’extrémité proximal 129. Cette opération est facilitée, et la qualité de la soudure est améliorée, du fait que le tronçon d’extrémité proximal 129 présente une section rigoureusement circulaire, et du fait que son diamètre est parfaitement maitrisé.
Le volume intermédiaire 23 est ensuite mis au vide.
Enfin, le volume interne 5 est rempli par le fluide cryogénique. La température du réservoir intérieur 3 est alors significativement abaissée. Ceci conduit à une contraction du réservoir intérieur 3, notamment suivant l’axe central C. Du fait que la plaque distale 31 est montée coulissante sur le tube distal interne 35, cette contraction est effectuée sans déformation de la plaque distale 31 , et sans générer de contrainte mécanique importante au niveau de la liaison entre la plaque distale 31 et le réservoir intérieur 3. La première extrémité distale intérieure 37 coulisse dans l’orifice central 65 de la plaque distale 31 . Cette situation est illustrée sur la figure 5. La plaque distale 31 n’est alors plus en appui contre la butée 67.
Dans cette situation, la plaque distale 31 reprend les efforts appliqués au réservoir intérieur 3, y compris au fluide cryogénique, dans un plan perpendiculaire à l’axe central C. Il reprend notamment 50% du poids du réservoir intérieur 3.
La plaque distale 31 ne reprend pas les efforts appliqués au réservoir intérieur suivant l’axe central C.
La plaque proximale reprend tous les efforts appliqués axialement au réservoir intérieur, et reprend 50% des efforts appliqués au réservoir intérieur dans un plan perpendiculaire à l’axe central C.
L’unité de stockage décrit ci-dessus présente de multiples avantages.
Le fait que la plaque distale soit montée coulissante axialement sur la première extrémité distale interne permet la contraction du réservoir intérieur, une fois que celui-ci est chargé en fluide cryogénique, sans générer de contrainte mécanique significative dans la plaque distale ou dans le réservoir intérieur.
Le fait que la première extrémité distale interne présente une butée bloquant un déplacement axial de la plaque distale suivant la première direction permet d’éviter que la couche d’isolant thermique soit endommagée par la plaque distale pendant l’opération d’insertion du réservoir intérieur dans la virole extérieure. La butée empêche le contact entre la plaque distale et la couche d’isolant thermique protégeant le fond intérieur distal du réservoir intérieur.
Le fait que la virole extérieure comprenne un tronçon central présentant un troisième diamètre intérieur supérieur au deuxième diamètre extérieur et un tronçon d’extrémité distale présentant un quatrième diamètre intérieur égal au deuxième diamètre extérieur, permet une circulation facile de la plaque distale le long du tronçon central. Enfin, ceci permet de rectifier le cas échéant la forme et le diamètre du tronçon d’extrémité distal, du fait que le tronçon d’extrémité distal adopte la forme de la plaque distale. Ceci in fine facilite la fixation par soudage du fond extérieur distal sur la virole extérieure.
Le fait que la plaque distale présente une zone centrale distale d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central et un bord périphérique distal se dressant axialement à partir de la zone centrale distale selon la première direction permet de faciliter l’insertion du réservoir intérieur dans la virole extérieure. En cas de contact entre la plaque distale et la virole extérieure, le risque de coincement est diminué. Le fait que l’unité de stockage présente une plaque proximale fixée à l’extrémité axiale proximale du réservoir intérieur et présentant un cinquième diamètre extérieur supérieur ou égal au deuxième diamètre extérieur permet de bien maitriser le centrage de l’extrémité axiale proximale du réservoir intérieur par rapport à la virole extérieure.
Quand la virole extérieure comprend un tronçon d’extrémité proximale présentant un sixième diamètre intérieur supérieur au deuxième diamètre extérieur et égal au cinquième diamètre extérieur, il est possible d’introduire la plaque distale et le réservoir intérieur dans la virole extérieure à travers le tronçon d’extrémité proximale. Par ailleurs, la plaque proximale vient rectifier si nécessaire la forme du tronçon d’extrémité proximal, ce qui in fine facilite le soudage du fond extérieur proximal à la virole extérieure.
Quand l’unité de stockage comprend une suspension proximale du réservoir intérieur au réservoir extérieur avec un tube proximal interne présentant une première extrémité proximale interne fixée au réservoir extérieur par la plaque proximale et une deuxième extrémité proximale interne fixée au réservoir intérieur, la suspension du réservoir intérieur au réservoir extérieur est faite à travers la plaque proximale. Ceci facilite la construction de l’unité de stockage, l’assemblage du tube proximal interne à la plaque proximale étant relativement aisé. Par ailleurs, ceci permet d’allonger le chemin thermique entre le réservoir extérieur et le réservoir intérieur. Ceci permet également de déporter la fixation au réservoir extérieur dans la virole extérieure. Si la fixation était faite directement sur le fond extérieur distal ou proximal, il serait nécessaire de donner à ces fonds une forme bombée pour augmenter leur résistance mécanique. Ceci pénaliserait l’encombrement de l’unité de stockage. Dans l’invention, il est possible d’utiliser des fonds extérieurs à grands rayons de courbures.
Du fait que la plaque proximale présente une zone centrale proximale d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central et un bord périphérique proximal se dressant axialement à partir de la zone centrale proximale selon la première direction, l’insertion du réservoir intérieur dans la virole extérieure est facilitée. Les risques de coincement de la plaque proximale contre la virole extérieure sont diminués

Claims

REVENDICATIONS
1. Unité de stockage de fluide cryogénique, l’unité de stockage (1 ) comprenant :
- un réservoir intérieur (3) délimitant un volume interne (5) prévu pour stocker le fluide cryogénique et comprenant une virole intérieure (9) cylindrique ayant un axe central (C), le réservoir intérieur (3) présentant axialement suivant une première direction (E1) une extrémité axiale proximale (13) et présentant axialement suivant une seconde direction (E2), opposée à la première direction (E1), une extrémité axiale distale (15) ;
- un réservoir extérieur (7) dans lequel est logé le réservoir intérieur (3), le réservoir extérieur (7) ayant une virole extérieure (17) sensiblement coaxiale à l’axe central (C) ;
- une couche d’isolant thermique (25), avec une partie intermédiaire (27) placée autour de la virole intérieure (9) du réservoir intérieur (3), ladite partie intermédiaire (27) présentant un premier diamètre extérieur (D1 ) ;
- une plaque distale (31) liée à l’extrémité axiale distale (15) du réservoir intérieur (3) et présentant un deuxième diamètre extérieur (D2) supérieur au premier diamètre extérieur (D1 ), pour protéger la couche d’isolant thermique (25) pendant une étape d’insertion du réservoir intérieur (3) dans la virole extérieure (17).
2. Unité de stockage de fluide cryogénique selon la revendication 1 , dans laquelle l’unité de stockage (1) comprend une suspension distale (33) du réservoir intérieur (3) au réservoir extérieur (7) avec un tube distal interne (35) présentant une première extrémité distale interne (37) liée au réservoir extérieur (7) par la plaque distale (31) et une deuxième extrémité distale interne (39) fixée au réservoir intérieur (3), la plaque distale (31) étant montée coulissante axialement sur la première extrémité distale interne (37).
3. Unité de stockage de fluide cryogénique selon la revendication 2, dans laquelle la première extrémité distale interne (37) présente une butée (67) bloquant un déplacement axial de la plaque distale (31) selon la première direction (E1 ).
4. Unité de stockage de fluide cryogénique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la virole extérieure (17) comprend un tronçon central (79) présentant un troisième diamètre intérieur (D3) supérieur au deuxième diamètre extérieur (D2) et un tronçon d’extrémité distal (81) présentant un quatrième diamètre intérieur (D4) égal au deuxième diamètre extérieur (D2), la plaque distale (31) étant engagée dans le tronçon d’extrémité distale (81).
5. Unité de stockage de fluide cryogénique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la plaque distale (31) présente une zone centrale distale (55) d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central (C), et un bord périphérique distal (57) se dressant axialement à partir de la zone centrale distale (55) selon la première direction (E1).
6. Unité de stockage de fluide cryogénique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’unité de stockage (1) comprend une plaque proximale (83) fixée à l’extrémité axiale proximale (13) du réservoir intérieur (3) et présentant un cinquième diamètre extérieur (D5) supérieur ou égal au deuxième diamètre extérieur (D2).
7. Unité de stockage de fluide cryogénique selon les revendications 4 et 6, dans laquelle la virole extérieure (17) comprend un tronçon d’extrémité proximal (129) présentant un sixième diamètre intérieur (D6) supérieur au deuxième diamètre extérieur (D2) et égal au cinquième diamètre extérieur (D5), la plaque proximale (83) étant engagée dans le tronçon d’extrémité proximal (129).
8. Unité de stockage de fluide cryogénique selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle l’unité de stockage (1) comprend une suspension proximale (85) du réservoir intérieur (3) au réservoir extérieur (7) avec un tube proximal interne (87) présentant une première extrémité proximale interne (89) fixée au réservoir extérieur (7) par la plaque proximale (83) et une deuxième extrémité proximale interne (91 ) fixée au réservoir intérieur (3).
9. Unité de stockage de fluide cryogénique selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle la plaque proximale (83) présente une zone centrale proximale (107) d’orientation générale perpendiculaire à l’axe central (C) et un bord périphérique proximal (109) se dressant axialement à partir de la zone centrale proximale (107) selon la première direction (E1).
10. Procédé de fabrication d’une unité de stockage (1) de fluide cryogénique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- obtention du réservoir intérieur (3), de la virole extérieure (17) et de la plaque distale (31) ;
- montage de la partie intermédiaire (27) de la couche d’isolant thermique (25) autour de la virole intérieure (9) du réservoir intérieur (3) ;
- liaison de la plaque distale (31 ) à l’extrémité axiale distale (15) du réservoir intérieur (3) ;
- insertion axialement du réservoir intérieur (3) dans la virole extérieure (17) du réservoir extérieur (7) selon la seconde direction (E2), l’extrémité axiale distale (15) étant engagée en premier, la plaque distale (31) empêchant le contact entre le réservoir extérieur (3) et la couche d’isolant thermique (25) pendant l’insertion du réservoir intérieur (3).
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