La présente invention concerne de façon générale les procédés utilisant un liquide cryogénique comme l’azote liquide, et pour lesquels le taux de diphasique liquide/gaz parvenant au poste utilisateur est un facteur important, i.e influençant la qualité de ce produit ou effectue ce poste, c’est le cas notamment du domaine du cryo-usinage de pièces mécaniques, c’est aussi le cas par exemple des mélangeurs cryogéniques en alimentaire, équipés de buses d’injection par la partie basse des mélangeurs.

Développons dans ce qui suit le cas de l’usinage.

L’usinage est un procédé de mise en forme de pièces par enlèvement de matière. L’énergie mécanique nécessaire à l’usinage, et donc la formation de copeaux, est quasiment intégralement transformée en chaleur. Malgré les bonnes conductivités thermiques de certains matériaux usinés et usinant, l’emploi d’un fluide de coupe demeure obligatoire pour garantir:

Le refroidissement et la lubrification de la zone de coupe ;

Mais aussi l’évacuation des copeaux en dehors de l’espace de travail.

Ces fluides de coupe sont majoritairement des huiles entières ou solubles à base minérale ou synthétique. Les températures rencontrées au cœur de la zone de coupe (couramment +800 °C à +1 000 °C) conduisent, d’une part, à la production de fumées ou gaz nocifs pour l’environnement extérieur, et d’autre part, à une pollution chimique des copeaux et surfaces usinées allant jusqu’à l’altération de leurs propriétés.

Les huiles sont un poste important de dépenses à travers leurs coûts d’achat et de recyclage mais aussi leur gestion. Dans ce cadre, les méthodes de lubrification dites de « microlubrification » ou « à sec » réduisent, voire suppriment, la consommation des fluides de coupe. Les performances d’usinage s’en trouvent dégradées, c’est pourquoi ces méthodes ne sont appliquées que dans les cas d’usinage qui ne requièrent qu’un faible refroidissement de la zone de coupe (tels que usinage de matériaux à base aluminium, usinage grande vitesse, etc...).

Dans les autres cas d’usinage, ceux qui requièrent un fort refroidissement de la zone de coupe, l’usinage par apport de fluide cryogénique, qu’on appellera dans ce qui suit «usinage cryogénique», se présentent comme une solution de refroidissement et de lubrification de la zone de coupe très attractive, alliant les avantages des huiles (évacuation des copeaux, fluide caloporteur, etc.) et ceux de l’usinage à sec (respect de l’environnement, non pollution des surfaces générées, recyclage des copeaux, augmentation de la durée de vie des outils etc.).

Ce fluide cryogénique peut être de l’azote et du CO2.

On dispose d’un art antérieur très volumineux concernant l’alimentation de telles machines d’usinage à l’aide d’un fluide de refroidissement (de l’outil de coupe, de la zone de coupe etc...) et notamment à l’aide d’un cryogène liquide tel l’azote liquide.

Un fluide cryogénique s’entend communément comme un fluide qui, à la pression atmosphérique, est liquide à une température très inférieure à 0°C.

On alimente traditionnellement en un tel liquide cryogénique un équipement consommateur (par exemple en azote liquide), quel que soit son type, à partir d’un réservoir de fluide cryogénique raccordé à l’équipement consommateur de ce fluide, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, un fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ce réservoir étant adapté pour d’une part alimenter l’équipement consommateur en liquide qui est soutiré depuis le fond du réservoir, et d’autre part pour être approvisionné depuis l’extérieur en fluide.

On utilise le plus couramment dans l’industrie des réservoirs dits « à basse pression de stockage », c’est-à-dire dont la pression maximale atteinte au sommet du réservoir est en général inférieure à environ 4 bars absolus, mais on trouve également, selon les applications visées des stockages dits moyenne pression montant jusqu’à 15 bar voire des stockages dits haute pression montant jusqu’à 30 bars.

La pression de stockage du réservoir étant supérieure à la pression atmosphérique, l’ouverture d’une vanne placée sur la conduite de raccordement du réservoir à l’équipement consommateur (par exemple une machine d’usinage) provoque le déplacement du liquide de son point de puisage à son point d’utilisation, sans moyen d’entraînement forcé et malgré les pertes de charge sur la ligne (vannes, portions coudes etc....).

Pour s’assurer que l’entraînement du liquide cryogénique est toujours effectif quel que soit le niveau de liquide dans le réservoir, on régule classiquement la pression du gaz au sommet du réservoir de façon à ce que cette pression reste sensiblement égale à une valeur prédéterminée, fixe, par exemple de l’ordre de 2 à 4 bars (plus largement 2 à 15bar).

Cependant, la pression du liquide au fond du réservoir varie en fonction de la hauteur du liquide à l’intérieur du réservoir, de sorte que, au fur et à mesure que le niveau de liquide baisse, la pression du liquide soutiré baisse et tend à se rapprocher de la pression du gaz au sommet. Par exemple, dans le cas de l’azote, une hauteur de liquide de 10 mètres environ implique un différentiel de pression de l’ordre de 0,7bar entre la pression de gaz au sommet et la pression de liquide au fond du réservoir, au niveau du puisage.

Cette variation de pression du liquide au point de puisage conduit nécessairement à une variation du débit de liquide soutiré, entraînant des perturbations de fonctionnement pour l’équipement consommateur situé en aval. Un effet symétrique se produit lors du réapprovisionnement du réservoir en fluide.

Pour des raisons bien connues de meilleure « qualité cryogénique » en terme de frigories disponibles, la littérature et ces industries utilisatrices de cryogènes, et en particulier celle de l’usinage, se sont intéressées aux moyens d’alimenter ces postes utilisateurs en liquide franc ou sensiblement franc ou en liquide sous-refroidi, c'est-à-dire en liquide à pression abaissée, et à température plus basse que lorsqu’il était à pression plus élevée.

En effet, considérons l’exemple de l’usinage, plus la pression de pulvérisation dans la zone d’usinage est importante, meilleurs sont les coefficients d’échange thermique. Or, quand le cryogène, par exemple l’azote liquide, est pulvérisé, il se crée du gaz -dû à sa détente- en sortie de buse de pulvérisation. La quantité de gaz généré est directement proportionnelle à la température de l’azote liquide et à sa pression en amont de la buse. On comprend donc l’intérêt de s'attacher à disposer d’un liquide sous-refroidi.

Parmi la nombreuse littérature disponible, on note que certains travaux ont recommandé l’emploi de moyens de séparation de phases (dégazage) sur la ligne reliant le réservoir à l’équipement consommateur, on pourra par exemple se reporter au document EP-2 347 855.

D’autres solutions ont proposé de coupler deux réservoirs et de les utiliser alternativement après remplissage et dépressurisation. Les inconvénients de cette solution sont bien évidemment la très forte manipulation induite et la mobilisation de deux réservoirs. Une autre solution est d’insérer un échangeur thermique (par exemple à plaques) juste en amont du point d’utilisation : dans une des voies de l’échangeur (circuit principal) circule l’azote liquide à sous refroidir (typiquement à l’origine à 3 bar et température voisine de -185 °C), tandis que dans une autre voie de l’échangeur circule un azote dépressurisé, typiquement à une pression voisine de 1 bar et à basse température, voisine de -196 °C. C’est l’échange entre ces deux voies, à co-courant ou contre-courant, qui va permettre de sous-refroidir l’azote du circuit principal. Mais le contrôle de la température est ici difficile à maitriser et à stabiliser, en particulier lorsque l’équipement consommateur en aval fonctionne en discontinu obligeant l’échangeur à passer par des phases de réchauffement, remise en froid etc...

On pourra également consulter le document W02004/005791 au nom de la Demanderesse, qui recommande de faire varier la pression du gaz au sommet du réservoir selon l’état de fonctionnement de ce réservoir (phase de consommation de l’installation utilisatrice en aval, phase d’attente, ou phase d’alimentation du réservoir en liquide cryogénique), et qui justement préconise selon un de ses modes de réalisation, des mises à l’air du réservoir durant les périodes d’attente. En d’autres termes, lorsque le réservoir n’est pas sollicité en soutirage et ne le sera pas a priori pendant une durée significative, par exemple de plusieurs heures (par exemple la nuit), une unité de contrôle commande l’ouverture d’une vanne de mise à l’air de la partie haute du réservoir. La pression de gaz au sommet du réservoir passe alors d’une valeur de stockage à une valeur sensiblement égale à la pression atmosphérique (pression résiduelle de quelques centaines de grammes). Ainsi, en abaissant de la sorte la pression de stockage de l’azote, la variation enthalpique de ce dernier tend à augmenter, ce qui revient à disposer d’un fluide de température plus basse que lorsqu’il était sous pression. Le fluide ainsi stocké durant ces périodes de non-utilisation du réservoir présente donc une température plus basse qu’à l’ordinaire, garantissant une meilleure qualité cryogénique en terme de frigories disponibles. Et de fait, une remise en pression rapide - en utilisant par exemple son propre réchauffeur atmosphérique ou autre- permet d’utiliser le liquide déstabilisé (sous refroidi).

Néanmoins cette solution n’est pas sans inconvénients, cette mise à l’air entraîne nécessairement des pertes, et par ailleurs le paradoxe de cette procédure réside dans le besoin de re-pressuriser pour pouvoir utiliser l’azote, donc de faire entrer de la chaleur. L’expérience de cette solution a notamment démontré une vaporisation de 4 à 9% du volume stocké. Cette vaporisation n’étant pas valorisée, le coût impacte directement le site utilisateur.

On en déduit en résumé deux inconvénients majeurs de cette solution de mise à l’air :

1) L’utilisation d’azote non valorisable pour la remise en pression. 2) L’entrée d’un gaz chaud dans le stockage pour la dépressurisation et la création de pont thermique.

On a également pensé à alimenter le poste utilisateur, par exemple d’usinage, en direct à partir d’un stockage de cryogène à moyenne ou haute pression, mais on constate alors la création, en sortie de buse de pulvérisation, d’une grande quantité de gaz, gaz qui diminue les échanges thermiques.

On peut enfin penser à alimenter la machine à partir d’un stockage basse pression et au travers d’une pompe, mais on connaît les difficultés liées à la manipulation de telles pompes, auxquelles s’ajoute l’impossibilité d’alimenter plusieurs postes d’usinage d’un même site à des pressions différentes et à faible débit.

La présente invention s’attache à proposer une solution technique permettant de contrôler et maintenir des conditions opératoires à des niveaux souhaités dans une opération utilisant de tels liquides cryogéniques, par exemple une opération d’usinage, conditions liées aux caractéristiques de température, pression, et taux de diphasique du cryogène mis en œuvre.

On développera tout particulièrement dans ce qui suit le cas de l’usinage pour des raisons de facilité mais on l’aura compris les considérations développées plus haut et dans ce qui suit concernent et s’adaptent plus largement à de nombreuses autres applications utilisatrices de liquides cryogéniques.

Pour cela comme nous le verrons plus en détails dans ce qui suit, l’invention considère que le procédé de Cryo-usinage (ou autre) ne nécessite pas forcément de connaître le taux de diphasique dans le cryogène liquide, par exemple dans l’azote liquide, mais plutôt de le contrôler et d’étudier des dérives éventuelles de celui-ci dans le temps, par exemple au cours de chaque opération d’usinage. Et c’est le mérite et la caractéristique de la présente invention que de proposer d’adopter cette nouvelle démarche.

On sait que de nombreux travaux ont tenté et tentent encore de développer un débitmètre qui permette de mesurer un débit de cryogène liquide ainsi que de mesurer le taux de diphasique dans celui-ci. A ce jour les systèmes développés n’ont pas apporté satisfaction ou comportent des faiblesses certaines (cout, encombrement, précision...), faiblesses qui sont rédhibitoires pour le domaine du cryo-usinage.

On se propose donc selon la présente invention, non pas de mesurer le taux de gaz dans le liquide cryogénique, mais de mesurer des fluctuations du taux de diphasique, ceci avec un système simple et peu onéreux.

Pour cela on mesure le débit de gaz à la sortie gaz d’un pot dégazeur (ou autre séparateur de phase) et on mesure des dérives de ce débit gaz dans le temps, mesures qui on l’aura compris, sont directement liées aux fluctuations du taux de diphasique.

On sait qu’un pot dégazeur est caractérisé par un débit maximum en fonction de la pression du gaz extrait au liquide et ne garantit pas d’être à 100% diphasique à la sortie du pot dégazeur.

A titre illustratif, dans le cas d’un exemple de mis en œuvre de l’usinage cryogénique, les débits en azote liquide sont classiquement de l’ordre de 2l/m in, le débit en gaz maximum du pot dégazeur permet donc à 10 bar de “purger” environ 250 l/min d’azote gazeux, donc assez pour purger la partie gaz dans n’importe quelle configuration.

Le pot dégazeur ne sera donc pas toujours ouvert en mode injection.

La [Fig. 1] annexée présente un exemple d’installation de mise en œuvre de l’invention, permettant de mieux comprendre la présente proposition technique.

La nomenclature des éléments présents sur la figure est la suivante :

- 1 : « FCV11 » = vanne de réglage du débit (en pression)

- 2 : « PV13 » = vanne d'arrêt liquide permettant d’ouvrir le bypass PV14 (on dégaze donc ici et pas dans le procédé utilisateur aval), vanne dite « normalement fermée ».

- 3 : « TT13 » = transmetteur de température

- 4 : « PT12 » = transmetteur de pression

- 5 : « PSV12 » = soupape de surpression

- 6 : « TG12 » = un séparateur de phase, par exemple un pot dégazeur - 7: « FE» = débitmètre ou capteur de débit (apte à fournir un signal qui est utilisable pour piloter d'autres éléments de l’installation)

- 8 : « FT12 » = débitmètre ou capteur de débit (apte à fournir un signal qui est utilisable pour piloter d'autres éléments de l’installation), apte à fournir une mesure du débit gaz (donc du diphasique)

- 9 : « PCV12 » = déverseur, pour assurer une contre-pression dans le pot dégazeur et pour favoriser une mesure du débit gaz plus fiable, déverseur qui représente une option avantageuse selon l’invention.

- 10 : « PV14 » = vanne d’arrêt sur bypass (conduit de dérivation), vanne dite « normalement ouverte », cette vanne est une vanne de mise en froid, il est possible (et optionnel) d'asservir cette vanne sur l’observation de l’évolution du taux de diphasique.

- 20 : le cryogène entrant

- 30 : le liquide cryogénique sortant et dirigé vers le poste utilisateur

- 40 : la sortie gaz du séparateur de phase.

La mesure du taux de diphasique grâce à cette installation, via le débit gaz ou capteur « FT12 », permet d’entreprendre par exemple l’une ou plusieurs des actions parmi les actions suivantes :

- informer le poste utilisateur des variations du taux de diphasique du fluide parvenant au poste d’usinage ;

- stopper le procédé via une action sur la vanne d’arrêt liquide PV13 si l’utilisateur le décide ;

- ajuster le débit, l’augmenter si besoin, via la vanne de réglage FCV11 , pour garder un nombre de frigories constant (donc une augmentation de la pression avec ce type de vanne) ;

- refaire une phase de dégazage (et donc on remet en froid) pour supprimer le surplus de diphasique via la vanne PV14 sur le bypass.

Comme il apparaitra clairement à l’homme du métier, le signal brut du débimètre ou capteur de débit 8 n’est pas utilisable en l’état car le fonctionnement du séparateur/pot dégazeur par le biais de son flotteur rend le débit non constant et caractérisé par des à-coups. On procède donc avantageusement à un post traitement de ce signal par un automate :

• Lors d’une mise en froid de la ligne le débit massique n’est pas constant (ligne chaude, pourcentage gaz /liquide instable, etc....).

• En mode production du poste utilisateur, par exemple du poste d’usinage en aval, le débit est soumis à des variations, du type de ce que l’on peut représenter (de façon schématique) dans la [figure 2] annexée correspondant à des changements d’outils et nombre de machines alimentées par le même réseau (débit variable).

Le post-traitement réalisé par l’automate peut alors prendre en compte par exemple l’un ou plusieurs des critères suivants:

• le nombre de périodes/cycles d’ouverture du pot dégazeur sur un cycle de production, par exemple un cycle d’usinage entre deux changements d’outils (informations de début et fin de cycle récupérées par l’automate) sur une même durée donnée.

• la durée d’ouverture du pot dégazeur à chaque ouverture de celui-ci : valeur de la durée d’ouverture, variation avec le temps de cette durée d’ouverture, constante ou en évolution.

• l’intégrale du débit de gaz mesuré durant chaque cycle d’usinage. La moyenne du taux de diphasique durant la totalité de l’utilisation de fluide cryogène peut être calculée.

Le débit de cryogène liquide, par exemple d’azote liquide, dépendra, on le comprend aisément, de la recette sélectionnée pour l’opération d’usinage (donc par exemple de la pression en aval de la vanne d’arrivée sur la zone d’usinage et des diamètres d’orifices d’injection correspondant aux diverses phases d’usinage (ébauche finition, matière, profondeur de passe, etc.), alors que comme on l’aura compris le procédé selon l’invention n’effectue pas et ne fournit pas de mesure de débit d’azote liquide.

• la comparaison des critères précédents entre 2 cycles de production et l’émission d’une alerte si des variations sont observées (dans des conditions où les conditions de pression d’azote liquide à l’entrée dans la zone d’usinage et d’orifice d’injection sont identiques pour ces 2 cycles)

• les modes pause seront écartés du calcul par récupération du signal usinage en cours depuis la machine vers l’automate ....

On peut penser que les origines d’une modification du taux de diphasique lors d’une opération d’usinage peuvent être les suivantes :

- un blocage du flotteur du pot dégazeur (l’impact de ceci est très fort) - quand plusieurs équipements tirent sur le même stockage, l’arrêt d’un ou plusieurs de ces équipements peut avoir un impact sur un autre équipement qui lui, reste en opération

- un remplissage du stockage d’azote liquide intervenant alors qu’une opération d’usinage est en cours

- une fuite d’un organe du réseau fluide d’azote liquide.

La présente invention concerne alors un procédé d’alimentation d’un poste utilisateur en un fluide cryogénique tel l’azote liquide, pour lequel le taux de diphasique liquide/gaz parvenant au poste utilisateur est un facteur influençant la qualité de l’opération réalisée par ce poste, à partir d’un réservoir de stockage du fluide cryogénique, réservoir qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ledit réservoir étant adapté pour alimenter ledit poste en liquide soutiré à partir du fond du réservoir, ainsi que pour être approvisionné depuis l’extérieur en fluide, se caractérisant en ce que : i) on dispose d’un moyen de séparation de phase gaz/liquide, par exemple un pot dégazeur ou un séparateur de phase, alimenté en fluide cryogénique à partir du dit réservoir, réalisant la séparation d’une phase essentiellement liquide et d’une phase essentiellement gazeuse dudit fluide cryogénique, ladite phase essentiellement liquide étant dirigée vers le poste utilisateur ; j) on mesure les fluctuations du taux de diphasique liquide/gaz parvenant au poste utilisateur dans le temps, par exemple au cours de chaque phase d'opération du poste utilisateur :

- en disposant d’une mesure du débit de gaz issu de la sortie gaz du moyen de séparation de phase et en mesurant d’éventuelles dérives de ce débit gaz dans le temps ; ou

- en disposant de l’information fournie par un capteur de débit situé sur la sortie gaz du moyen de séparation de phase, information de type binaire 0/1 , permettant de détecter l’existence d’un débit en sortie de moyen de séparation, et de déterminer le temps d'ouverture du capteur sur une plage de temps donnée ; k) on entreprend, selon le résultat des déterminations réalisées en j), une ou plusieurs actions pour informer le poste utilisateur et/ou modifier les conditions opératoires de ce poste utilisateur.