Titre : Appareil de compression et station de remplissage comprenant un tel appareil

1/ invention concerne un appareil de compression de fluide cryogénique ainsi qu'une station de remplissage comprenant un tel appareil.

L'invention concerne plus particulièrement un appareil de compression de fluide à plusieurs étages de compression comprenant une première chambre de compression, une seconde chambre de compression, un système d'admission communiquant avec la première chambre de compression configuré pour permettre l'entrée de fluide à comprimer dans ladite première chambre de compression, un système de transfert configuré pour permettre en position ouverte le transfert de fluide de la première chambre de compression vers la seconde chambre de compression, un piston mobile pour assurer la compression du fluide dans les première et seconde chambres de compression, l'appareil comprenant en outre un orifice d'évacuation communiquant avec la seconde chambre de compression et configuré pour permettre la sortie de fluide comprimé, le piston étant mobile en translation selon une direction longitudinale, la première chambre de compression étant délimitée par une cavité inférieure fixe, une extrémité inférieure du piston et un premier système d'étanchéité formé entre le piston et une paroi de la cavité inférieure, la seconde chambre de compression étant délimitée par une cavité supérieure fixe, une extrémité supérieure du piston et un second système d'étanchéité formé entre le piston et une paroi de la cavité supérieure .

L'invention concerne en particulier un appareil de compression ou de pompage de gaz et/ou liquides cryogéniques.

Dans la suite, notamment les termes « appareil de compression », « pompe » peuvent être utilisés indistinctement de même que pour les termes « pompage » et « compression ». L'appareil objet de l'invention concerne en effet un appareil de pompage et/ou de compression de fluide cryogénique liquide et/ou gazeux et/ou supercritique .

Les fluides cryogéniques présentent des densités beaucoup plus élevées que les fluides gazeux. Par conséquent, les pompes cryogéniques (par opposition aux compresseurs à gaz) offrent des débits massiques plus importants, un volume plus petit consomment moins d'énergie et nécessitent moins d'entretien. C'est pourquoi les pompes cryogéniques sont utilisées dans de nombreux domaines tels que les unités de séparation des gaz de l'air, les reformeurs, les stations de remplissage, les secteurs maritimes.

Les fluides concernés comprennent généralement l'oxygène, l'azote, le gaz naturel, l'argon, l'hélium ou l'hydrogène. Ces appareils de compression (ou pompes) ont pour fonction de pressuriser un fluide cryogénique à un débit cible.

Par exemple, une pompe à piston cryogénique peut être placée directement en ligne à la sortie du stockage source cryogénique ou encore dans un bain cryogénique dédié (également appelé "sump" en anglais), situé à côté et directement alimenté par un réservoir de stockage principal.

Pour diverses raisons, notamment la commodité de l'entretien et de la conception, généralement la pompe cryogénique est à mouvement alternatif et est insérée dans un réservoir de sorte à être immergée dans le fluide cryogénique à pomper.

Les pompes cryogéniques ont généralement des pressions d'entrée comprises entre 1 et 12 bars et des pressions de sortie de 20 à 1000 bar, selon l'application. Les pompes peuvent comporter un ou plusieurs étages de compression en utilisant un mouvement de va-et-vient .

Un mécanisme à deux étages de compression est souvent préféré car celui-ci permet de découpler la phase d'admission (pendant laquelle le fluide doit être aussi dense et donc aussi froid que possible) et la phase de pressurisation (où des quantités de chaleur néfastes pour le procédé peuvent être générées). Les principaux indicateurs de performance des pompes cryogéniques à piston sont : le rendement volumétrique, les pertes par évaporation, la consommation d'énergie, l'empreinte au sol et la durabilité.

Les principales caractéristiques des pompes cryogéniques à mouvement alternatif devraient donc être : une densité la plus élevée possible à l'aspiration, une très bonne isolation thermique avec l'environnement, un volume mort minimal (donc un taux de compression élevé), un montage simple et robuste pour une maintenance rapide et une fiabilité élevée, une bonne gestion des pertes par évaporation afin de limiter leur impact.

Le document US7410348 décrit une pompe à deux étages de compression à piston horizontale avec une admission axiale par un clapet anti-retour et une décharge radiale. Cette architecture présente un volume mort conséquent. De plus, les pertes de fuites sont relativement importantes au niveau de deux systèmes de joints à haute pression situés de part et d'autre de la chambre à haute pression.

Ceci provoque également un montage et un entretien plus difficiles .

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, l'appareil de compression selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que, en configuration de fonctionnement de l'appareil, la direction longitudinale de translation du piston est verticale, le système d'admission étant situé à une extrémité inférieure de l'appareil, l'orifice d'évacuation étant situé dans une partie supérieure de l'appareil, au-dessus du système de transfert.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la cavité inférieure et la cavité supérieure sont des entités distinctes, le piston comprenant un conduit interne assurant la liaison fluidique entre les première et seconde chambres de compression, le piston est relié mécaniquement à un organe d'actionnement tel qu'un moteur et/ou un système de transmission de mouvement d'un moteur par exemple, via au moins un axe disposé autour de la cavité supérieure et s'étendant selon une direction de l'axe longitudinal, le système de transfert est situé au niveau de l'extrémité supérieure du piston, le second système d'étanchéité formé entre le piston et une paroi de la cavité supérieure est situé uniquement au niveau de l'extrémité inférieure de la seconde chambre de compression et/ou au-dessous de la seconde chambre de compression, l'orifice d'évacuation est situé au niveau de l'extrémité supérieure de la cavité supérieure, l'appareil comprenant une conduite d'évacuation du gaz comprimé comprenant une première extrémité reliée à l'orifice d'évacuation et une seconde extrémité située en partie supérieure de l'appareil, le système d'admission est situé à une extrémité inférieure de la cavité inférieure, la compression du fluide dans la seconde chambre de compression est provoquée par une course ascendante du piston, l'appareil est logé dans une enceinte étanche contenant un bain) de fluide cryogénique de refroidissement.

L'invention concerne également une station de remplissage de réservoirs de gaz sous pression comprenant une source de gaz liquéfié, notamment d'hydrogène liquéfié, un circuit de soutirage ayant une première extrémité reliée à la source et au moins une seconde extrémité destinée à être raccordée à un réservoir à remplir, le circuit de soutirage comprenant un appareil de pompage ou un appareil de compression de fluide conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.

L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci- dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig. 1] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant la structure d'un exemple de réalisation d'un appareil de compression selon l'invention,

[Fig. 2] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant une première configuration d'un cycle de fonctionnement de l'appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 3] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant une seconde configuration d'un cycle de fonctionnement de l'appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 4] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant une troisième configuration d'un cycle de fonctionnement de l'appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 5] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant une quatrième configuration d'un cycle de fonctionnement de l'appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 6] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant une cinquième configuration d'un cycle de fonctionnement de l'appareil de compression selon 1'invention, [Fig. 7] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant la structure d'un autre exemple de réalisation d'un appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 8] représente une vue en coupe longitudinale et verticale, schématique et partielle, illustrant la structure d'encore un autre exemple de réalisation d'un appareil de compression selon 1'invention,

[Fig. 9] représente une vue schématique et partielle, illustrant un exemple de station de remplissage utilisant un tel appareil de compression.

L'appareil 1 de compression de fluide représenté à la [Fig. 1] comprend deux étages de compression en série.

L'appareil 1 comprend en particulier une première chambre 3 de compression (à relative basse pression) et une seconde chambre 4 de compression (à relative haute pression).

L'appareil 1 comprend un système 2 d'admission communiquant avec la première chambre 3 de compression et qui est configuré pour permettre l'entrée de fluide à comprimer dans ladite première chambre 3 de compression. Le système 2 d'admission peut comprendre par exemple au moins l'un parmi : un ou plusieurs clapets anti-retour, un ou plusieurs orifices ou lumière(s), au moins un clapet à disque plat ou tout autre dispositif ou vanne permettant l'entrée de fluide à comprimer dans la première chambre 3 de compression lors d'une phase d'admission et empêchant la sortie de fluide en phase de compression. En particulier, dans un mode de réalisation possible, ce système 2 s'ouvre en cas de différentiel de pression déterminé entre ses deux extrémités. De plus, la première chambre peut éventuellement être équipée d'une soupape ou autre élément de sécurité configuré pour limiter la pression au sein de la chambre en dessous d'un seuil de sécurité déterminé. L'appareil 1 comprend également un système 6 permettant ou non (selon son état) le transfert de fluide de la première chambre

3 de compression vers la seconde 4 chambre de compression (lors et/ou en fin de phase de compression du fluide dans la première chambre 3 de compression) mais qui reste fermé lors de la phase de compression dans la seconde chambre 4 de compression. Ce système 6 de transfert peut être du même type que celui du système 2 d'admission.

L'appareil 1 comprend un piston 5 mobile en translation pour assurer la compression du fluide dans les première 3 et seconde

4 chambres de compression (comme détaillé ci-après).

L'appareil 1 comprend en outre un orifice 7 d'évacuation communiquant avec la seconde chambre 4 de compression et configuré pour permettre la sortie de fluide comprimé dans la seconde chambre 4 de compression (pendant ou en fin de phase de compression dans cette chambre). L'orifice 7 d'évacuation peut être pourvu d'un clapet ou système anti-retour qui peut être du même type que celui du système 2 d'admission (par exemple fermé tant que le différentiel de pression entre la seconde chambre 4 de compression et l'extérieur est inférieur à un seuil déterminé) .

La première chambre 3 de compression est délimitée par une cavité 14 inférieure fixe (par exemple une cuve cylindrique), une extrémité inférieure du piston 5 et un premier système d'étanchéité 22 formé entre le piston 5 et une paroi de la cavité 14 inférieure. Le système 2 d'admission peut être situé à une extrémité inférieure de la cavité 14 inférieure.

La seconde chambre 4 de compression est délimitée par une cavité 24 supérieure fixe (par exemple une cuve cylindrique), une extrémité supérieure du piston 5 et un second système d'étanchéité 10 formé entre le piston 5 et une paroi de la cavité 24 supérieure. Le piston 5 est mobile en translation selon une direction A longitudinale. En configuration de fonctionnement de l'appareil 1, la direction A longitudinale de translation du piston 5 est verticale. Le système 2 d'admission est situé à une extrémité inférieure de l'appareil 1, l'orifice 7 d'évacuation étant situé dans une partie supérieure de l'appareil 1, au-dessus du système 6 de transfert.

Cette configuration assure une admission de fluide à comprimer dans la partie inférieure, c'est-à-dire dans la région la plus froide de l'appareil 1. De plus, le refoulement et les éventuelles fuites sont localisées dans la région supérieure de l'appareil. Cette configuration favorise un mélange minimal ou nul entre les deux régions relativement froide et chaude.

Cet agencement vertical avec course de compression verticale permet une bonne séparation des flux de fluide relativement froid (à l'admission) et chaud (à l'échappement). En particulier, la course de compression dans la seconde chambre 4 de compression est ascendante (traction de la tige du piston 5 vers le haut et vers la partie chaude de l'appareil 1).

En particulier, cette course ascendante du piston 5 lors de la compression à haute pression génère un effort de traction sur la tige du piston. Ceci est favorable mécaniquement. En effet, la tige n'est pas soumise au flambement lors de cette traction (au contraire d'une compression/ poussée). De plus, cet agencement de compression en traction ne nécessite pas de guider la tige de piston régulièrement sur sa longueur. Ceci permet en outre de réduire la surface de la section de la tige de piston (en évidant a tige ou en réduisant son diamètre par exemple). De plus, ceci permet de réduire la longueur de la tige de piston selon le niveau de pertes thermiques acceptable.

Comme schématisé, le piston 5 peut être entraîné par un organe 21 d'actionnement tel qu'un moteur situé en partie supérieure de 1'appareil 1. Le piston 5 peut être relié mécaniquement à un organe 21 d'actionnement via au moins un axe 23 disposé autour de la cavité supérieure 24 (c'est-à-dire au moins un axe 23 s'étendant longitudinalement autour de la cavité supérieure).

Par exemple, plusieurs axes 23 sont reliés d'une part à une extrémité inférieure du piston 5 et, d'autre part à un plateau 27 ou support solidaire d'un arbre 26 relié à l'organe 21 d'actionnement .

Bien entendu la structure est conformée pour permettre le coulissement du piston 5 relativement dans le plateau 24 (ou autre (s) support(s)). Ainsi, par exemple, les axes 23 peuvent être conformés pour coulisser au travers d'un support fixe (non représenté) de maintien du plateau 24.

Comme illustré, les cavité 14 inférieure et cavité 24 supérieure peuvent être des entités physiques distinctes. Le piston 5 peut comprendre au moins un conduit 25 interne assurant la liaison fluidique entre les première 3 et seconde 4 chambres de compression

Le système 6 de transfert peut être situé au niveau de l'extrémité supérieure du piston 5, par exemple à l'extrémité supérieure du conduit 25 interne débouchant dans la seconde chambre 4 de compression.

De préférence le second système d'étanchéité 10 formé entre le piston 5 et une paroi de la cavité 24 supérieure est situé uniquement au niveau de l'extrémité inférieure de la seconde chambre 4 de compression et/ou au-dessous de la seconde chambre 4 de compression.

Cette architecture permet ainsi de prévoir un unique système d'étanchéité dynamique à haute pression à une seule extrémité (inférieure) de la seconde chambre 4 de compression. Ainsi, ce système d'étanchéité 10 à haute pression peut être situé uniquement au niveau de l'extrémité inférieure de la seconde chambre 4 de compression et/ou au-dessous de la seconde chambre

4.

Au contraire, dans l'art antérieur mentionné précédemment, deux systèmes d'étanchéités haute pression dynamiques étaient prévus de part et d'autre de la chambre de compression à haute pression (de part et d'autre selon la course de déplacement du piston 5).

Cet agencement réduit fortement les contraintes de fabrication de maintenance et le risque de fuite par rapport à l'art antérieur .

L'orifice 7 d'évacuation est situé par exemple au niveau de l'extrémité supérieure de la cavité supérieure 24. L'appareil 1 peut comprendre une conduite 11 d'évacuation du gaz comprimé comprenant une première extrémité reliée à l'orifice 7 d'évacuation et une seconde extrémité située en partie supérieure de l'appareil 1.

Comme illustré à la [Fig. 1], l'appareil de compression peut être logé dans une enceinte 13 étanche isolée thermiquement et contenant un bain 16 de fluide cryogénique de refroidissement. En particulier, la première 3 et la seconde 4 chambres de compression peuvent être immergées dans une phase liquide. La partie supérieure de l'enceinte 16 peut comporter un ciel gazeux qui récupère les éventuelles fuites dans l'appareil 1.

Ainsi, la tête froide de l'appareil 1 peut être immergée verticalement dans une bain 16 cryogénique (parfois appelé puisard) .

La première chambre 3 de compression pourrait être fixée directement au fond du bain 16.

Comme schématisé, le piston 5 peut être entraîné par un organe d'actionnement 21 (par exemple un organe 21 moteur) situé en partie supérieure c'est-à-dire que le moteur 21 ou actionneur est situé, selon l'axe A longitudinal et par rapport à la chambre 3 de compression, du côté opposé à l'orifice 2 d'admission et du même côté que l'orifice 7 d'évacuation et la conduite 11 d'évacuation (ou même au-delà de cet orifice 7 d'évacuation.

Comme illustré, selon la direction A longitudinale, l'orifice 7 d'évacuation peut être situé entre d'une part l'orifice 2 d'admission et, d'autre part, la conduite 11 d'évacuation et/ou l'organe 21 d'actionnement).

L'organe d'actionnement 21 (moteur ou autre) est avantageusement situé hors de l'enceinte 13, en partie supérieure de l'appareil de compression et les deux chambres de compression 3, 4 dans 1'enceinte 13.

Ceci permet en outre de prévoir une course du piston 5 en traction vers l'extrémité supérieure de l'appareil lors de la phase de compression dans la seconde chambre 4 de compression.

Un exemple de cycle de compression va à présent être décrit en liaison aux [Fig. 2] à [Fig. 6].

A la [Fig. 2] le piston 5 est en position extrême basse (première chambre 3 de compression vide et fluide à une pression par exemple comprise entre 2 et 20 bar dans la seconde chambre 4 de compression) .

Du fluide froid à basse pression (par exemple de 1 à 10 bar) situé au fond de l'enceinte 13 peut être admis dans la première chambre 3 de compression via le système 2 d'admission lors de la remontée du piston 5 (et le fluide est pressurisé dans la seconde chambre 4 de compression) cf. [Fig. 3].

A mesure que le piston est remonté ([Fig. 3]), davantage de fluide remplit la première chambre 3 de compression. Le fluide dans la seconde chambre 4 de compression est comprimé. La première chambre 3 de compression est remplie. Lorsque la pression dans la seconde chambre 4 de compression devient supérieure à la pression déterminée en aval (par exemple 100 à 1000 bars, selon l'application), le système 7 d'évacuation s'ouvre, vidant les fluides à haute pression vers le haut via la conduite 11 d'évacuation.

En position extrême haute ([Fig. 4]), la seconde chambre 4 de compression est vidée et la première chambre 3 de compression est pleine.

Après le point mort haut ([Fig. 5]), lors de la descente du piston 5 comme la pression de la seconde chambre 4 du cycle précédent diminue en dessous de la pression dans la première chambre 3 de compression, le fluide se déplace de la première chambre 3 de compression vers la seconde chambre 4 de compression via le système 6 de transfert ([Fig. 5]). Lorsque la pression s'équilibre après le point mort bas, la seconde chambre 4 de compression est isolée

L'appareil revient à la configuration de départ et peut recommencer un cycle ([Fig. 6]).

Cette architecture avec une course de compression et la séparation des parties froides (en bas) et chaude (en haut) permet un meilleur fonctionnement de la compression. La relative grande distance entre l'admission en bas et l'évacuation en haut favorise cet avantage.

En effet, l'admission de fluide est réalisée au niveau où le fluide est le plus froid et le plus dense tandis que les fluides plus chaud sont déportés vers le haut. Ceci minimise les risques de mélange et d'ébullition du bain 16. Les fluides chauds (fuites) peuvent être collectés directement en partie haute sans nécessité de tuyauterie dédiée.

L'ensemble peut être logé dans un carter.

De préférence, la partie inférieure du piston 5 a un profil configuré pour favoriser l'échappement du gaz par les lumières ou clapets. Par exemple, comme schématisé à la [Fig. 8] une ou plusieurs lumières 126 (ou orifices) peuvent être ménagées dans la partie supérieure de la cavité 14 inférieure. Ces lumières 126 permettent, lorsque le piston 5 les découvre (piston 5 au- dessus d'au moins une partie des lumières 126) la communication entre la première chambre 3 de compression et l'extérieur.Ainsi, en phase d'admission (agrandissement de la chambre 3), du gaz éventuellement présent dans la première chambre 3 de compression peut s'échapper par ces lumières 126 et laisser sa place à du liquide du bain environnant. Ceci assure un remplissage totalement liquide à l'admission. De plus, en phase de compression (piston 5 plongeant dans la première chambre 3 de compression) ces lumières 126 laissent échapper le surplus de liquide en dosant le volume de liquide qui y sera emprisonné (ce volume est déterminé par exemple par la position longitudinale des lumières 126).

Comme illustré, un circuit 12 d'évacuation de fuite de gaz facultatif peut être prévu. Par exemple le circuit 12 comprend une conduite ayant une première extrémité communiquant avec l'espace entre le piston 5 et la cavité supérieure, en dessous du second système 10 d'étanchéité.

Dans la variante de la [Fig. 7], des clapets à disque plats ou équivalents sont prévus à l'extrémité inférieure du piston 5 pour permettre l'admission du fluide dans la première chambre 3 de compression.

De plus, la première chambre peut éventuellement être équipée d'une soupape ou autre élément de sécurité configuré pour limiter la pression au sein de la chambre en dessous d'un seuil de sécurité déterminé. Dans la variante de la [Fig. 8], les extrémités inférieures des axes 23 sont reliées à une partie intermédiaire du piston, par exemple, au niveau d'une couronne formée transversalement au corps du piston. Ceci permet d'éloigner la première chambre 3 de la deuxième chambre 4 et de mieux séparer ainsi le fluide froid à comprimer du fluide chaud comprimé. La géométrie de l'extrémité inférieure du piston 5, de la première cavité 14 et/ou de la seconde cavité 24 peuvent être adaptées pour modifier le rapport des volumes des deux chambres 3, 4 de compression, par exemple pour augmenter la taille de la première chambre 3 de compression par rapport à la seconde chambre 4 de compression.

Un appareil 1 de compression de ce type (ou plusieurs en série ou en parallèle) peut être utilisé dans toute installation cryogénique nécessitant de pomper ou comprimer un fluide cryogénique.

Par exemple, une station de remplissage de réservoirs de gaz sous pression (hydrogène par exemple) peut comprendre une source 17 de gaz liquéfié, un circuit 18 de soutirage ayant une première extrémité reliée à la source et au moins une seconde extrémité destinée à être raccordée à un réservoir 190 à remplir, le circuit 18 de soutirage comprenant un tel appareil 1 de pompage. Le fluide pompé peut être vaporisé dans un échangeur 19 en aval et éventuellement stocké dans un ou plusieurs réservoir 20 tampon sous pression.